物联网点火，无线测试如何颠覆？

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      [导读] 当前，新一代信息通信技术正在全球范围内引发新一轮的产业变革，成为推动经济社会发展的重要力量。物联网作为我国战略性新兴产业的重要组成部分，正在进入深化应用的新阶段。为了保证物联网产业的顺利发展，其相关产品的测试也越来越重要。基于R&S公司的物联网测试系统，可以对RFID、NFC及ZigBee等设备进行相应的测试。关键词：NFCZigBee物联网无线测试RFID
　

　　1.物联网简介

        物联网IOT（Internet of Things）技术是一项复杂的应用技术，它不仅涵盖了微波技术与电磁学理论，而且还涉及通信原理以及半导体集成电路等技术，是一项多学科融合的新兴应用技术。目前，IOT技术已成为一个新的经济增长点，它广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。因此，研发物联网技术有着巨大的经济效益和社会意义，对物联网测试技术的研究也是物联网应用不可或缺的一个环节。

　　2.物联网原理及应用
　　目前，根据不同的应用场合，物联网涵盖的无线技术包括射频识别RFID、近场通信NFC、ZigBee、WLAN、车联网802.11p等。
　　2.1 RFID
　　RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。
　　RFID按应用频率的不同分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）、微波（MW），相对应的代表性频率分别为：低频135KHz以下、高频13.56MHz、超高频860M~960MHz、微波2.4G，5.8G ；RFID按照能源的供给方式分为无源RFID、有源RFID以及半有源RFID。无源RFID读写距离近，价格低；有源RFID可以提供更远的读写距离，但是需要电池供电，成本要更高一些，适用于远距离读写的应用场合。
　　RFID技术的基本工作原理并不复杂：电子标签进入磁场后，接收读写器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息；读写器读取信息并解码后，送至计算机控制端进行有关数据处理。

　　

                               
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　　图 1 RFID系统工作原理图

　　2.2 NFC
　　NFC（Near Field Communication）由RFID及互联互通技术整合演变而来，主要推广公司有NOKIA、SONY和NXP。近场通信是一种短距高频的无线电技术，在13.56MHz频率运行于20厘米距离内。其传输速度有106 Kb/s、212 Kb/s或424 Kb/s三种。
　　NFC将非接触读卡器、非接触卡和点对点功能整合在一起，为消费者的生活方式开创了不计其数的全新机遇。这是一个开放接口平台，可以对无线网络进行快速、主动设置，也是虚拟连接器，服务于现有蜂窝状网络、蓝牙及无线802．1l设备。
　　NFC具有三种工作模式：
　　1） 卡模拟模式；
　　2） 读写模式；
　　3） 点对点通信模式。
　　NFC具有两种通信方式：被动通信和主动通信。值得注意的是，通信方式与工作模式没有必然的关系。
　　1） 被动通信
　　被动通信是指由NFC通信的一方产生射频场，另一方从射频场中获取能量，并通过负载调制的方式与产生射频场的一方通信。被动通信方式常用于卡模拟模式和读写模式中。
　　2） 主动通信
　　主动通信方式是指射频场由NFC通信双方交替产生，即通信双方在需要通信时产生自己的射频场。主动通信方式主要用于点对点通信模式中。
　　2.3 ZigBee
　　ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗及低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。
　　根据IEEE 802.15.4标准，ZigBee工作的频段是免费开放的，分别为2.4GHz（全球）、915MHz（美国）和868MHz（欧洲），根据频段不同，采用了不同的技术，如下表所示：

　　

                               
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　　表 1IEEE 802.15.4频带宽度、调制类型和脉冲成型滤波器

　　在3个不同频段，都采用相位调制技术，2.4GHz采用较高阶的OQPSK调制技术以达到250kbit/s的速率，并降低工作时间，以减少功率消耗。相比较2.4GHz频段，868MHz/ 915MHz为低频段，采用BPSK的调制技术，无线传播的损失较少，传输距离较长。

　　3. 物联网测试需求
　　根据物联网使用的无线技术，目前其测试需求主要体现在如下几个方面：
　　· RFID测试
　　· NFC测试
　　· Zigbee测试
　　由于物联网产品是一种无线电收发设备，所以在实际测试过程中需要采用一些专用的测试来进行测试工作。对于无线电收发设备来说，常用的测试设备主要包括测量接收机、频谱分析仪、信号源、综测仪和示波器等。另外，测试天线在无线电发射设备的测试过程中具有重要的作用，离开了天线的辅助，就无法进行正常的测试工作，可见测试天线也是非常重要的一种测试辅助设备。概括说来，物联网的测试需求主要包括如下几个方面。
　　3.1 射频测试需求
　　2007年4月，我国发布了对RFID读写器设备射频指标进行型号核准测试的技术规范。对于UHF的RFID射频测试，如今国际上并没有专门的标准来对其进行描述，它一般包含在协议一致性标准中。目前，UHF频段的RFID射频测试可以参考的标准是我国《800/900MHz频段射频识别（RFID）技术应用规定（试行）》。其中，规定的测试项目包括载波频率容限、占用带宽、发射功率、邻道功率泄露比、杂散发射和最大驻留时间等。另外，根据EPC Global标准Version1.0.2的测试规范，其测试项目还包括：读写器数据编码、射频包络、射频开关时间、前同步码和帧同步信息等。
　　由于NFC的Analog部分延续ISO 14443及ISO 15693射频标准，因此，NFC的射频测试需求可参照ISO/IEC 10373-6及ISO/IEC 10373-7。NFC射频测试需要专用测试天线辅助，并且测试点位置、测试功率等参数在测试标准中有详细规定。
　　ZigBee物理层使用标准的低功耗局域网协议进行定义。一般，对其发射机和接收机进行常规射频测试即可。
　　3.2 协议测试需求
　　对于RFID技术来说，读写器和标签作为无线通信的双方，它们之间必须遵守相互约定的通信协议，否则通信将无法进行。RFID空中接口实际上就是指标签和读写器之间的无线传输规范、它涉及的范围很广，主要包括无线资源管理、无线链路控制、媒质接入控制和物理层等。目前，世界范围广泛采用的UHF频段RFID空口协议标准主要采用ISO/IEC 18000系列，其测试标准分别对应ISO/IEC 18047系列。
　　3.3 性能测试需求
　　随着RFID系统的广泛应用，RFID系统的性能测试成为RFID应用单位和系统集成商非常关心的一个重要问题，RFID应用系统性能的优劣直接影响到应用场景的RFID设备的部署和成本投入，以及系统应用客户的满意度问题。根据RFID的系统组成，对于RFID系统进行评估时可分为系统整体性能测试、标签性能测试和读写器性能测试3个方面，主要测试标准分别对应（ISO-IEC18046-1/2/3）
　　4. 物联网测试解决方案
　　R&Sa物联网测试系统可以根据标准对被测RFID读卡器或标签、NFC设备、Zigbee发射机或接收机进行全面的测试。
　　针对RFID读卡器或标签，R&Sa物联网测试系统适用于860～960MHz UHF频段，对其射频、协议、性能进行测试；
　　针对NFC设备，R&Sa物联网测试系统适用于13.56MHz频段，对其射频、调制特性进行测试。
　　针对Zigbee发射机或接收机，R&Sa物联网测试系统适用于2.4GHz频段，对其射频、调制特性进行测试；
　　4.1物联网测试系统组成
　　R&Sa物联网测试系统的核心设备是协议处理单元，结合数字基带接口EX-IQ-BOX、信号源SMBV100A、频谱分析仪FSV、矢量网络分析仪ZNB、供电电源NGMO、示波器RTO、射频切换单元Switching Unit、测试软件以及天线等附件组成，完成物联网产品的测试。并且可以配合转台，在暗室中进行射频及性能测试。下图为物联网测试系统结构框图。

　　

                               
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　　图 2物联网测试系统结构框图

　　4.2 物联网测试项目
　　1） 射频测试
　　RFID射频测试共包含6个测试项，均为读写器射频指标测试，参考的标准为射频测试部分所参考的标准为《800/900MHz频段射频识别（RFID）技术应用规定（试行）》。具体支持的测试项目包括：载波频率容限；占用带宽；发射功率；邻道功率泄漏比；杂散发射；驻留时间；频谱模板。
　　NFC射频测试项目较多，参考标准为《ISO/IEC 10373-6 Identification cards - Test methods - Part 6： Proximity cards》、《ISO/IEC 10373-7 Identification cards - Test methods - Part 7： Vicinity cards》及《NFC Forum-Test Cases for Analog Specification》。具体支持的测试项目较多，此处不再详细描述。
　　ZigBee射频测试包含11个测试项目，均为收发信机常规测试项目，参考的标准为《IEEE Standard 802.15.4 for Information technology—Telecommunications and information exchange between systems—Local and metropolitan area networks—Specific requirements》。具体支持的测试项目包括：发射机信道功率；发射机时域功率；发射机占用带宽；发射机邻道功率泄露比；发射机上升时间及下降时间；发射机调制特性；发射机发射杂散；发射机信号峰均比；接收机灵敏度；接收机阻塞测试；接收机邻道选择性测试。
　　2） 协议测试
　　RFID协议测试共包含14个测试项，其中标签有10项测试，读写器有4项测试，测试依据的标准主要是EPCglobal在UHF频段的RFID空中接口协议EPCglobal C1G2，标准为《EPCglobal Class-1 Generation-2 UHF RFID Conformance Requirements》，ISO组织接受其为ISO/IEC18000-6C标准，颁布ISO/IEC 18047-6。包含的测试项目有：标签频率范围；标签解调能力；标签链路频率；标签链路频率容差；标签T1时间；标签链路占空比；标签反射信号前导码；标签防碰撞能力；标签存储内容；标签状态转移能力；读写器前导码时间；读写器包络；读写器T2时间；读写器数据编码。
　　3） 性能测试
　　RFID性能测试共包含15个测试项，其中标签有11项测试，读写器有4项测试，测试依据的标准主要是18046-3：《信息技术 射频识别设备性能测试方法 第3部分：标签性能测试方法》，《信息技术自动识别和数据采集技术射频识别设备性能测试方法》。标签最大识别距离；标签最大读距离；标签最大写距离；识别电磁场阈值；读电磁场阈值；写电磁场阈值；灵敏度降级；最大工作电磁场；生存电磁场；干扰抑制；标签天线方向图；读写器灵敏度；读写器BER；读写器天线方向图测试；读写器干扰抑制。
　　4.3 物联网自动测试平台
　　R&Sa物联网测试平台可控制仪表自动完成射频、协议和性能测试，并对测试过程进行监控，向用户显示测试结果并自动生成测试报告。其测试界面如下图所示。

　　

                               
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　　图 3物联网自动测试平台界面

　　R&Sa物联网测试平台提供的功能如下图所示。

　　

                               
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　　图 4物联网自动测试平台功能

　　4.4物联网测试实例
　　基于R&Sa物联网测试系统，可以方便的完成RFID、NFC及ZigBee测试。下图所示为物联网测试系统实拍图及RFID测试结果。

　　

                               
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　　图 5物联网测试系统实拍图及RFID测试结果

　　5. 小结
　　R&Sa物联网测试系统作为物联网产品的专用测试设备，具有操作简单，针对性强以及测试准确等优点，可以大大减少物联网产品的开发、认证和生产的时间，同时配合R&S公司强大的技术实力和优异的仪表性能，可以保证测试性能的准确性，进一步提升产品质量。因此，物联网测试系统可以广泛应用于物联网产品的开发、生产、认证等各个环节和领域。
——本文选自电子发烧友网11月《测试测量特刊》Change The World栏目，转载请注明出处！