- 如何測量系統中時間相關的時域和頻域信號
- MDO4000 可解決調試跨域的時頻相關的系統測試工具
物聯網行業的發展趨勢與設計挑戰
隨著現代傳感器技術和無線通信技術的發展，物聯網已經開始進入人們的日常生活。以RFID、ZigBee技術和NFC近場通信等技術為代表的物聯網應用，正在成為眾多企業、高校研發和創新的方向。雖然針對這些技術，半導體廠商提供了各種專用芯片，甚至是集成度很高的解決方案，但在設計一個實際的物聯網設備時，工程師仍然面臨著很多挑戰。其中一個最重要的因素是如何測量系統中時間相關的時域和頻域信號。RFID和ZigBee技術中應用到的RF信號雖然不是十分復雜，但信號的質量、功率和時序關系決定著系統能否正常工作。而這些RF參數本身不僅和射頻發射/接收電路有關，還受到基帶電路和控制電路的影響。內部寄存器的讀寫、電源的工況甚至是系統延遲時間的大小，都會決定整個系統的工作狀態。傳統的示波器或頻譜分析儀是無法完成這種時間相關的時域和頻域信號綜合調試工作的。
MDO混合域示波器的創新設計理念
泰克MDO4000系列混合域示波器獨特的創新理念，為調試跨域的時頻相關的系統提供了獨一無二的工具。MDO4000在一臺全功能的混合信號示波器的基礎上，增加了一臺3GHz或6GHz的頻譜分析儀，可以完成普通頻譜分析儀的各種頻域測量功能。完全獨立的示波器時域采集系統和頻譜分析儀頻域采集系統，既可以獨立工作，也可以通過觸發協同工作。通過移動頻譜時間，用戶可以在示波器采集到的時間窗口內，觀測在射頻通道采集到的任何一點的RF信號的頻譜情況。MDO還提供了RF信號的幅度、頻率和相位相對于時間變化的調制域分析功能。這些獨有的功能幫助用戶測量RF信號的各種調制信息。使用頻譜分析儀的工程師經常面臨的一個問題是如何準確地觸發并捕獲到關心的RF信號。由于傳統的頻譜分析儀觸發功能很有限，用戶很難做到一點。MDO4000不但可以通過RF信號的各種特征進行觸發，還可以使用示波器的觸發系統，通過基帶或控制信號完成RF信號的觸發采集，這種功能極大地降低了調制物聯網設備的難度。
在調試RFID系統時，工程師面臨的一個重要的困難是如何測量標簽的返回信號。由于標簽返回信號的幅度很小，使用普通的示波器往往難以捕獲這一信號，更不要說對其幅度和頻率做進一步分析了。主要原因是普通示波器的動態范圍只有40dB，無法捕獲微弱的標簽信號。MDO4000具有60dB的動態范圍，以及低至-152dB/Hz 的底噪，能夠很好地勝任同時捕獲讀寫器信號和標簽信號的任務。其獨特的AvsT射頻信號幅度的時域波形功能，甚至可以顯示標簽信號幅度變化過程。
下面我們以一個13.56MHz的RFID讀寫器系統為例，介紹MDO4000的跨域調試應用。
在RIFD系統研發中MDO混合域示波器的應用
圖一 采用NXPCLRC632芯片的RFID讀寫器
測試13.56MHzRFID讀寫器的RF信號質量參數
13.56MHz高頻RFID系統是目前國內應用最為廣泛，技術較為成熟的射頻識別系統。相關的國際標準對射頻發射頻率、信道帶寬、發射功率等參數都有明確的要求，特別是RF信號的幅度（功率）隨時間變化的情況，標準有著嚴格的規定。以讀寫設備為例，讀寫設備發出的載波信號的幅度變化時間，必須符合ISO18000-3標準對于t1-t4的時間限制。
圖二 ISO18000-3 13.56MHz RFID空中接口時間參數規范
通過使用MDO4000獨特的觸發功能，用戶可以輕松穩定捕獲RFID的時域和頻域信號。如圖所示，由于載波信號幅度在變化，使用傳統手段很難測量出RF信號從90%下降到5%的T1的時間長度。我們可以打開AvsT調制曲線，它代表了RF信號的幅度相對于時間變化的軌跡。通過自動測量或手動光標測量，我們可以輕松得到T1的準確時間。同理可以完成其他時間參數的測試。
圖三 13.56MHzRFID PCD到PICC信號的時域和AvsT調制域波形
圖四 測量PCD發射信號與標簽返回信號間的延遲時間
另一個需要嚴格保證的時間是從讀寫器發出讀卡信號后到標簽返回信號的時間。過長或過短的時間都會被認作讀寫失敗。使用傳統儀器測量這些信號的難度很大。MDO4000可以將RF信號的AvsT的軌跡完整展示的屏幕中，用戶只需用光標定位到相應位置，即可得到這一延遲時間。
圖五 13.56MHz RFID射頻信號的時域波形、調制域波形與頻譜顯示
如果設計人員希望了解RFID系統傳輸的數據情況，MDO4000同樣可以提供強有力的支持。MDO4000可以提供RF信號的IQ數據。將這些數據導入泰克的RSAVu軟件后，可以完成RFID數據的解碼、射頻指標計算等工作。如下圖所示，使用RSAVu軟件讀取MDO4000提供的.TIQ數據，軟件可以計算得出RF信號的幅度時域波形，計算得出EVM、調制深度、調制系數、頻率偏差、碼速率等參數。并可以將這些RF信號代表的數據解碼顯示出來。簡化了設計人員的調試難度。
圖六 RSAVu自動測試和解碼功能
RFID讀寫器是一個包含了基帶微控制器、RF發射和接收模塊以及電源和控制總線的復雜的射頻嵌入式系統。基帶控制信號和系統內部寄存器的狀態直接影響系統的工作狀態。以我們測試的讀寫器為例，NXP CLRC632讀寫控制芯片包含了 壓控振蕩器、鎖相電路、編碼、解碼、混頻和發射/接收功能，芯片的工作受到單片機芯片STC 90c58RD+的控制。
測試系統控制信號與TX和RX信號的時序關系
圖 七 Rx信號與射頻信號的時域關系
圖八 通過SPI總線捕獲寄存器狀態數據
單片機芯片與讀寫控制芯片之間通過SPI總線通信。讀寫控制芯片的實際工作功能，通過更改內部寄存器的數值加以管理。如：地址14的寄存器為codercontrol寄存器，控制編碼時鐘和模式。當該寄存器的第三位至第五位的值為000時，則編碼速率為848KB，當數值為011時，則為一個典型的ISO1443A編碼標準，碼速率為106KB，數值為100時為ISO1443 TYPE B的編碼速率。這調試實戰中，如果我們發現頻譜副載波信號的頻率與我們設計的傳輸碼速率不一致時，我們可以通過捕獲相應地址的SPI總線數據，查看相應的寄存器的數值，確定出現此類問題的原因。Codercontrol寄存器的0-2位，控制的是傳輸數據的編碼形式。如果在設計調試中發現有數據通信不能建立的問題，可以檢查這三位的數值，核查實際的編碼形式是否正確。“000”代表ISO14443-B的NRZ非歸零編碼，“001”表示ISO14443A的Miller編碼，而“110”和“111”則表示ISO15693標準對應的編碼形式。
總結
MDO4000混合信號示波器獨有的時間相關的跨越分析功能，為以RFID為代表的物聯網設備的研制和調試提供了有力的工具。使用MDO4000不但能夠輕松測量信號的模擬波形、頻譜狀況和各種頻域參數，更可以通過AvsT、FvsT和ΦvsT這些調制域軌跡，簡便地驗證產品是否符合國際和行業標準的規定。更重要的是，由于將模擬信號、數字信號和總線信號，與射頻信號在時間上關聯起來，我們既可以通過這些信號時序關系，驗證系統實際工作的過程，也可以通過對總線信號、寄存器數據的分析，查找除產生故障的原因。目前MDO4000是市場中唯一一種能夠提供此類功能的測試儀器。我們希望MDO4000能夠加速物聯網產品的設計，為整個產業的發展貢獻力量。
MDO4000混合域示波器主要指標：
典型配置：
MDO4054-3 混合信號示波器（如果設計2.4G RFID系統，建議選擇MDO4104-6）
DPO4EMBD總線分析模塊（I2C+SPI總線）
MDO4TRG高級射頻觸發模塊
專用標簽天線工裝
泰克近場探頭套件（型號：119414600，100KHz-1GHz）
BNC電纜
BNC三通適配器
