頻譜分析儀測量TPMS工作信號測試
長間隔高頻瞬時信號廣泛應(yīng)用于無線傳感器、無線通訊等領(lǐng)域。由于數(shù)字頻譜分析儀受掃描時間的制約，在捕獲2毫秒以下的瞬時信號時往往遇到很大困難，掃描時間越短的數(shù)字頻譜分析儀價格越昂貴。工業(yè)生產(chǎn)講求QCE（高品質(zhì)、低成本、率），如何運用性價比高的頻譜分析儀來成功完成這類長間隔高頻瞬時信號在生產(chǎn)線上的測試呢？
本文以TPMS工作信號為例，首先介紹此類信號特性；而后從單一的對信號功率、頻率分別測試的方法入手，介紹測試儀器的基本設(shè)置；zui后介紹生產(chǎn)線上實用的綜合測試方案。本文中您可以看到，我們通過具體的實踐操作，驗證了方法的有效性和可靠性。
- 關(guān)于TPMS
TPMS 即汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng) “Tire Pressure Monitoring System”，主要用于在汽車行駛時實時的對輪胎氣壓進行自動監(jiān)測，對輪胎漏氣和低氣壓進行報警，以保障行車安全。目前，TPMS 主要分為兩種類型，一種是 Wheel-Speed Based TPMS（簡稱：WSB TPMS，或稱為間接式 TPMS ），這種系統(tǒng)是通過汽車 ABS 系統(tǒng)的輪速傳感器來比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達到監(jiān)視胎壓的目的，該類型系統(tǒng)的主要缺點是無法對兩個以上輪胎同時缺氣的狀況和速度超過100公里/小時的情況進行判斷。另一種是 Pressure-Sensor Based TPMS（簡稱：PSB TPMS，或稱為直接式 TPMS），直接式TPMS從功能和性能上均優(yōu)于間接式TPMS。直接式TPMS系統(tǒng)在每一個輪胎里安裝壓力傳感器來直接測量輪胎的氣壓，并對各輪胎氣壓進行顯示及監(jiān)視，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時，系統(tǒng)會自動提出警告。安裝在每一個輪胎里的遠程輪胎壓力監(jiān)測模塊（Remote Tire Pressure Monitoring，由智能傳感器SOC、單片機MCU、RF發(fā)射芯片、鋰亞電池、天線等部分組成） 完成測量后，通過無線電頻率調(diào)制發(fā)射一個瞬時訊號給安裝在駕駛臺的中央監(jiān)視器。中央監(jiān)視器接收RTPM模塊發(fā)射的信號，將各個輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，監(jiān)視器隨時顯示各輪胎氣壓、溫度，駕駛者可以直觀地了解各個輪胎的氣壓狀況，當(dāng)輪胎氣壓太低、滲漏、太高、或溫度太高時，系統(tǒng)就會自動提出警告。
RTPM與中央監(jiān)視器之間通過RF訊號通訊，此訊號的良莠直接關(guān)系到TPMS的安全品質(zhì)。通過頻譜分析儀對此信號進行抓獲、測量和分析是在TPMS產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)檢測中*的。
TPMS的RTPM并非不間斷地對輪胎胎壓進行檢測并向中央監(jiān)視器發(fā)送RF信號，而是有一定的時間間隔。在某些TPMS中，此時間間隔可以人為設(shè)定，但zui快的也不低于800ms，一般為2s以上，多為幾秒到幾十秒。RTPM每次發(fā)送的信號持續(xù)時間卻要短得多，一般在2ms以內(nèi)，多為微妙級時長。所以TPMS工作訊號的特點是間歇長，發(fā)送時間短，同時頻率較高。其工作頻率北美標(biāo)準(zhǔn)為315MHz，歐洲標(biāo)準(zhǔn)為433.92MHz，韓國為448MHz，另有新標(biāo)準(zhǔn)為868MHz。其發(fā)射功率不能超過10dBm，否則要接受無線電管制。工作模式有ASK（幅度鍵控）、FSK（頻移鍵控），F(xiàn)SK抗干擾較好。
- 信號的抓獲與基本測量
由于目前大多數(shù)數(shù)字頻譜分析儀的掃描時間都大于TPMS工作信號的發(fā)送時長，掃描時間快到微秒級的頻譜儀價格相當(dāng)昂貴，所以要用一般的頻譜分析儀對此信號進行準(zhǔn)確的捕獲需要對頻譜分析儀進行一些設(shè)置，使用操作要有一定的熟練度。下面，我們先用信號發(fā)生器模擬一個類似TPMS工作信號的長間隔高頻瞬時信號，然后具體介紹如何使用固緯電子生產(chǎn)的3GHz頻譜分析儀——GSP830，來捕獲、測量此信號，輔助使用的數(shù)字示波器是固緯電子生產(chǎn)的200MHz帶寬的GDS2202。
2.1 待測的長間隔高頻瞬時信號
用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個FSK信號，調(diào)制脈沖信號的周期設(shè)為2s，占空比為0.1%（即瞬時信號持續(xù)2ms），載波信號頻率設(shè)為2MHz的正弦。在示波器上可以看到信號的時域波形如圖所示。以上三個圖是在不同大小的時基下觀察到的信號波形。從圖中我們不難理解這種類似TPMS工作信號的長間隔、高頻率、瞬時特性。類似這樣的信號，在無線傳感器、無線RFID等許多領(lǐng)域都很常見。
2.2 信號捕獲和測量
將此信號送進頻譜分析儀，按下“Autoset”鍵，我們發(fā)現(xiàn)信號很難捕獲；打開峰值保持，也看不到信號捕獲留下的波形。由于此信號難于捕獲，一次性較地測得其頻率和功率有較大困難。這里我們先分別測量功率和頻率，從而較準(zhǔn)確地獲得信號的參數(shù)，隨后在第三部分著重介紹產(chǎn)線上實用的通過測試方案。
2.2.1 頻率測量
測量信號的頻率時，我們可以打開峰值保持，將中心頻率設(shè)在2MHz。頻率跨度的選擇需要考慮與RBW的搭配，如果SPAN和RBW相差很大，則由于捕獲困難，測得頻率所需時間會非常長；如果SPAN和RBW相差很小，則容易造成頻率測量不準(zhǔn)確。我們可以選擇30kHz的RBW和1MHz的SPAN。在這種情況下，頻譜儀不能保證對每一個瞬時信號都成功捕獲，所以我們在頻譜儀上看到的頻譜變化間隔往往大于2s。這是由于SPAN大于RBW的時候，如果信號進入頻譜儀時頻譜儀的即時掃描的頻率偏離了信號真實頻率，則這一次的信號將無法被捕獲。但經(jīng)過稍長的一段時間（取決于SPAN和RBW之差）之后，我們依然能在峰值保持的模式下觀察到信號累積的頻譜情況，根據(jù)這一圖象我們可以輕易地通過搜索峰值讀出信號頻譜中心點的頻率，度可以達到kHz的級別。如下圖，測得信號頻率為2.0MHz。
2.2.2 功率測量
如果我們測量此信號的重點在于地了解其功率，并且希望盡可能多地捕獲到每一個送入頻譜儀的信號，我們可以重新調(diào)整SPAN和RBW，使它們相等，或SPAN略小于RBW，如將SPAN設(shè)為200kHz，RBW設(shè)為300kHz。此時，因為RBW的頻寬覆蓋了整個掃描范圍，所以在此范圍內(nèi)的每一個進入頻譜儀的信號都能被捕獲。通過MARK的峰值檢測，其功率也能方便、準(zhǔn)確地讀出，如下左圖，其功率讀值為-8.1dBm。
經(jīng)過多次捕獲我們不難發(fā)現(xiàn)，每次捕獲的功率相差非常的小，這也說明此方法測得的功率值具有較高的可靠性。
- 生產(chǎn)線上的通過測試
3.1 單一參數(shù)的通過測試
通過測試，首要的要求是每一次信號都要被捕獲（即需要RBW大于等于SPAN）。如果產(chǎn)線對頻率的準(zhǔn)確度要求在幾十千赫茲的范圍內(nèi)，而對功率要求較高，如零點幾dBm，則可設(shè)置對于信號功率要求的通過測試。
我們可以在頻譜儀上設(shè)置Pass/Fail的功率限制線（Limit Line），如上圖，使得功率滿足限制范圍的信號（產(chǎn)品）通過。這一應(yīng)用只需在2.2.2的設(shè)置基礎(chǔ)上進入Limit Line菜單進行率Pass/Fail功能設(shè)置即可。固緯GSP830的Limit Line菜單的設(shè)置靈活方便，可以方便地編輯用戶需要設(shè)定的功率上限和下限。限制線通過表格形式編輯線上的各點，各點連成的限制曲線可以滿足用戶在不同頻率點有不同功率標(biāo)準(zhǔn)的需要，而非簡單的直線。通過簡單幾個鍵的設(shè)置，GSP830即能幫助用戶將符合要求的信號判定為Pass，而所有不符合要求的信號都將被準(zhǔn)確無誤地判定為Fail。下圖是通過測試中頻譜儀顯示的畫面。
由于2.2.2的設(shè)置測得的頻率并不十分準(zhǔn)確，所以對于信號頻率的通過測試則不能用上述方法。如果對功率的顯示沒有要求，則可以利用觸發(fā)的功能來檢測信號頻率。在頻譜儀的觸發(fā)菜單中，設(shè)置觸發(fā)頻率和觸發(fā)電平（功率），滿足頻率和功率條件的信號才能夠被觸發(fā)。每次觸發(fā)頻譜儀都會重新掃描一次，人眼可以觀察到屏幕的閃動（但由于觸發(fā)延時，無法在屏幕上看到捕獲的信號圖像），沒有觸發(fā)的時候屏幕圖像固定不動。這樣我們就可以根據(jù)觸發(fā)的情況來判斷產(chǎn)品的品質(zhì)。
3.2 綜合測試方法
一般產(chǎn)線對信號的頻率和功率同時都有較嚴(yán)格的要求，分別進行功率、頻率通過測試的方法在實際運用中還是稍顯繁瑣，這里特別推薦另外一種綜合測試的方法，其特點是首先將SPAN設(shè)置為零頻跨。
我們將捕獲的信號的持續(xù)時間設(shè)為500微妙，頻率設(shè)為3MHz的信號，功率1dBm，發(fā)送間隔為1s。然后利用信號發(fā)生器將信號的頻率在3MHz附近調(diào)整。由于中心頻率3MHz，零頻跨的頻譜儀掃描的范圍只在3MHz這一點上，根據(jù)濾波器的特性，有微小頻率偏移的信號捕獲后的功率會被衰減。分別將信號的頻率以3MHz為中心左右調(diào)偏50kHz、100kHz、200kHz和500kHz，信號衰減后的功率幅度如下圖中所示。
據(jù)此，產(chǎn)線上的通過測試可以按照上圖中的設(shè)置，將標(biāo)準(zhǔn)理想信號的頻率設(shè)為中心頻率，將SPAN設(shè)為零頻跨，而后根據(jù)需要設(shè)置功率限制線（Limit Line）。這樣，頻率不夠準(zhǔn)確的信號在捕獲后的功率會下降到下限制線以下，將會被判定為Fail，同時，如果信號本身的功率不夠準(zhǔn)確，在上下限制線之外的，也會被判定為Fail。如果需要更準(zhǔn)確的頻率判定精度，可以選取小一些的RBW。如下圖，30kHz的RBW可以非常明顯的區(qū)分正負(fù)5kHz的頻率誤差。
這種零SPAN的通過測試設(shè)置方法*有可能疏漏的信號是功率偏大，同時又有頻偏的信號。其頻偏造成的捕獲衰減若剛好將其功率過大的部分衰減到標(biāo)準(zhǔn)功率范圍，則會被測試判為Pass，從而造成我們不期望的誤判。如果我們能先用之前所述的單純測試功率的方法判斷信號的功率，再用零頻跨的方法判斷其頻率。這樣就能將所有在功率或頻率上不符合標(biāo)準(zhǔn)的信號全部被判為Fail，使通過測試而準(zhǔn)確。
然而，可能出您意料的是，我們并不需要在產(chǎn)線上用兩臺頻譜儀先后做測試，固緯GSP830頻譜分析儀為用戶提供了一套簡便實用的自動測量系統(tǒng)（SEQ）。只需從前面板設(shè)置好測量順序設(shè)定，再經(jīng)過一鍵操作，儀器會方便地單次或連續(xù)運行不同的測量設(shè)定，亦或由用戶指令一步步地運行整個測量步驟。.
上圖即是固緯GSP830頻譜分析儀自動測量系統(tǒng)（SEQ）菜單下的編輯界面。在界面下方的編輯框中，我們可以一步步地設(shè)定頻譜儀測量的具體步驟以及每一步的參數(shù)設(shè)置，并通過延遲時間的設(shè)置設(shè)定每一步測量的等待時間。由于我們本例需要做的是產(chǎn)線上的通過測試，所以我們在進行SEQ測量之前首先要將設(shè)置好的Limit Line打開。如上圖所示，編輯好SEQ的測試程序后，點擊執(zhí)行按鈕，選擇重復(fù)測試并現(xiàn)在執(zhí)行，頻譜儀就開始運行自動測量了，我們就可以看到下面的畫面。
屏幕zui下方提示欄里的“SEQ”圖標(biāo)告訴我們，測試正在運行，我們可以通過右側(cè)的功能鍵停止自動測試的執(zhí)行。屏幕正下方的“PASS”或“FAIL”告訴我們每一次測試的結(jié)果。
- 結(jié)語
在TPMS的測試中，信號的頻率比本文的范例高，但實際的測量方法沒有區(qū)別。測量的功率精度可以達到0.1dBm，頻率精度可以達到1kHz。在幾百兆赫茲頻率的信號測量中kHz級別的精度一般能滿足絕大多數(shù)測量需要。
在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活當(dāng)中，類似TPMS工作信號的長間隔高頻瞬時信號很常見，應(yīng)用也非常廣泛。就如何利用射頻工程師手邊常見的頻譜分析儀對此類信號進行準(zhǔn)確可靠的測量，如何在產(chǎn)線上能低成本率地完成相關(guān)產(chǎn)品此類信號的品質(zhì)檢測，本文從參數(shù)測量、單一量測試、直至綜合測試，給出了一系列操作的參考方法。所涉及的大都是諸如RBW、SPAN等常用設(shè)置，較為實用也較易操作。另外，此實驗中使用的固緯電子生產(chǎn)的3GHz頻譜分析儀GSP830憑借其*的“SEQ”（自動測量）功能以及方便靈活的“Limit Line”（通過測試）功能，使我們可以通過前面板的按鍵定義自己的宏，并把它們保存下來，使頻譜儀按程序執(zhí)行準(zhǔn)確的自動測量，完成了兩臺頻譜儀的工作。這一系列功能和方法運用在產(chǎn)線上，能極大地提率、降低成本。
