頻譜分析儀測(cè)量TPMS工作信號(hào)測(cè)試
長(zhǎng)間隔高頻瞬時(shí)信號(hào)廣泛應(yīng)用于無(wú)線傳感器、無(wú)線通訊等領(lǐng)域。由于數(shù)字頻譜分析儀受掃描時(shí)間的制約，在捕獲2毫秒以下的瞬時(shí)信號(hào)時(shí)往往遇到很大困難，掃描時(shí)間越短的數(shù)字頻譜分析儀價(jià)格越昂貴。工業(yè)生產(chǎn)講求QCE（高品質(zhì)、低成本、率），如何運(yùn)用性價(jià)比高的頻譜分析儀來(lái)成功完成這類長(zhǎng)間隔高頻瞬時(shí)信號(hào)在生產(chǎn)線上的測(cè)試呢？
本文以TPMS工作信號(hào)為例，首先介紹此類信號(hào)特性；而后從單一的對(duì)信號(hào)功率、頻率分別測(cè)試的方法入手，介紹測(cè)試儀器的基本設(shè)置；zui后介紹生產(chǎn)線上實(shí)用的綜合測(cè)試方案。本文中您可以看到，我們通過(guò)具體的實(shí)踐操作，驗(yàn)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(shí)實(shí)時(shí)的對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)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(jiǎn)稱：WSB TPMS，或稱為間接式 TPMS ），這種系統(tǒng)是通過(guò)汽車 ABS 系統(tǒng)的輪速傳感器來(lái)比較輪胎之間的轉(zhuǎn)速差別，以達(dá)到監(jiān)視胎壓的目的，該類型系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)兩個(gè)以上輪胎同時(shí)缺氣的狀況和速度超過(guò)100公里/小時(shí)的情況進(jìn)行判斷。另一種是 Pressure-Sensor Based TPMS（簡(jiǎn)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(gè)輪胎里安裝壓力傳感器來(lái)直接測(cè)量輪胎的氣壓，并對(duì)各輪胎氣壓進(jìn)行顯示及監(jiān)視，當(dāng)輪胎氣壓太低或有滲漏時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提出警告。安裝在每一個(gè)輪胎里的遠(yuǎn)程輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊（Remote Tire Pressure Monitoring，由智能傳感器SOC、單片機(jī)MCU、RF發(fā)射芯片、鋰亞電池、天線等部分組成） 完成測(cè)量后，通過(guò)無(wú)線電頻率調(diào)制發(fā)射一個(gè)瞬時(shí)訊號(hào)給安裝在駕駛臺(tái)的中央監(jiān)視器。中央監(jiān)視器接收RTPM模塊發(fā)射的信號(hào)，將各個(gè)輪胎的壓力和溫度數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，監(jiān)視器隨時(shí)顯示各輪胎氣壓、溫度，駕駛者可以直觀地了解各個(gè)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(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)提出警告。
RTPM與中央監(jiān)視器之間通過(guò)RF訊號(hào)通訊，此訊號(hào)的良莠直接關(guān)系到TPMS的安全品質(zhì)。通過(guò)頻譜分析儀對(duì)此信號(hào)進(jìn)行抓獲、測(cè)量和分析是在TPMS產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)檢測(cè)中*的。
TPMS的RTPM并非不間斷地對(duì)輪胎胎壓進(jìn)行檢測(cè)并向中央監(jiān)視器發(fā)送RF信號(hào)，而是有一定的時(shí)間間隔。在某些TPMS中，此時(shí)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(hào)持續(xù)時(shí)間卻要短得多，一般在2ms以內(nèi)，多為微妙級(jí)時(shí)長(zhǎng)。所以TPMS工作訊號(hào)的特點(diǎn)是間歇長(zhǎng)，發(fā)送時(shí)間短，同時(shí)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(guó)為448MHz，另有新標(biāo)準(zhǔn)為868MHz。其發(fā)射功率不能超過(guò)10dBm，否則要接受無(wú)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(hào)的抓獲與基本測(cè)量
由于目前大多數(shù)數(shù)字頻譜分析儀的掃描時(shí)間都大于TPMS工作信號(hào)的發(fā)送時(shí)長(zhǎng)，掃描時(shí)間快到微秒級(jí)的頻譜儀價(jià)格相當(dāng)昂貴，所以要用一般的頻譜分析儀對(duì)此信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的捕獲需要對(duì)頻譜分析儀進(jìn)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(hào)發(fā)生器模擬一個(gè)類似TPMS工作信號(hào)的長(zhǎng)間隔高頻瞬時(shí)信號(hào)，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(lái)捕獲、測(cè)量此信號(hào)，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(cè)的長(zhǎng)間隔高頻瞬時(shí)信號(hào)
用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)FSK信號(hào)，調(diào)制脈沖信號(hào)的周期設(shè)為2s，占空比為0.1%（即瞬時(shí)信號(hào)持續(xù)2ms），載波信號(hào)頻率設(shè)為2MHz的正弦。在示波器上可以看到信號(hào)的時(shí)域波形如圖所示。以上三個(gè)圖是在不同大小的時(shí)基下觀察到的信號(hào)波形。從圖中我們不難理解這種類似TPMS工作信號(hào)的長(zhǎng)間隔、高頻率、瞬時(shí)特性。類似這樣的信號(hào)，在無(wú)線傳感器、無(wú)線RFID等許多領(lǐng)域都很常見(jiàn)。
2.2 信號(hào)捕獲和測(cè)量
將此信號(hào)送進(jìn)頻譜分析儀，按下“Autoset”鍵，我們發(fā)現(xiàn)信號(hào)很難捕獲；打開(kāi)峰值保持，也看不到信號(hào)捕獲留下的波形。由于此信號(hào)難于捕獲，一次性較地測(cè)得其頻率和功率有較大困難。這里我們先分別測(cè)量功率和頻率，從而較準(zhǔn)確地獲得信號(hào)的參數(shù)，隨后在第三部分著重介紹產(chǎn)線上實(shí)用的通過(guò)測(cè)試方案。
2.2.1 頻率測(cè)量
測(cè)量信號(hào)的頻率時(shí)，我們可以打開(kāi)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(cè)得頻率所需時(shí)間會(huì)非常長(zhǎng)；如果SPAN和RBW相差很小，則容易造成頻率測(cè)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(duì)每一個(gè)瞬時(shí)信號(hào)都成功捕獲，所以我們?cè)陬l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(shí)候，如果信號(hào)進(jìn)入頻譜儀時(shí)頻譜儀的即時(shí)掃描的頻率偏離了信號(hào)真實(shí)頻率，則這一次的信號(hào)將無(wú)法被捕獲。但經(jīng)過(guò)稍長(zhǎng)的一段時(shí)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(hào)累積的頻譜情況，根據(jù)這一圖象我們可以輕易地通過(guò)搜索峰值讀出信號(hào)頻譜中心點(diǎn)的頻率，度可以達(dá)到kHz的級(jí)別。如下圖，測(cè)得信號(hào)頻率為2.0MHz。
2.2.2 功率測(cè)量
如果我們測(cè)量此信號(hào)的重點(diǎn)在于地了解其功率，并且希望盡可能多地捕獲到每一個(gè)送入頻譜儀的信號(hào)，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(shí)，因?yàn)镽BW的頻寬覆蓋了整個(gè)掃描范圍，所以在此范圍內(nèi)的每一個(gè)進(jìn)入頻譜儀的信號(hào)都能被捕獲。通過(guò)MARK的峰值檢測(cè)，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(guò)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(shuō)明此方法測(cè)得的功率值具有較高的可靠性。
- 生產(chǎn)線上的通過(guò)測(cè)試
3.1 單一參數(shù)的通過(guò)測(cè)試
通過(guò)測(cè)試，首要的要求是每一次信號(hào)都要被捕獲（即需要RBW大于等于SPAN）。如果產(chǎn)線對(duì)頻率的準(zhǔn)確度要求在幾十千赫茲的范圍內(nèi)，而對(duì)功率要求較高，如零點(diǎn)幾dBm，則可設(shè)置對(duì)于信號(hào)功率要求的通過(guò)測(cè)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(hào)（產(chǎn)品）通過(guò)。這一應(yīng)用只需在2.2.2的設(shè)置基礎(chǔ)上進(jìn)入Limit Line菜單進(jìn)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(guò)表格形式編輯線上的各點(diǎn)，各點(diǎn)連成的限制曲線可以滿足用戶在不同頻率點(diǎn)有不同功率標(biāo)準(zhǔn)的需要，而非簡(jiǎn)單的直線。通過(guò)簡(jiǎn)單幾個(gè)鍵的設(shè)置，GSP830即能幫助用戶將符合要求的信號(hào)判定為Pass，而所有不符合要求的信號(hào)都將被準(zhǔn)確無(wú)誤地判定為Fail。下圖是通過(guò)測(cè)試中頻譜儀顯示的畫(huà)面。
由于2.2.2的設(shè)置測(cè)得的頻率并不十分準(zhǔn)確，所以對(duì)于信號(hào)頻率的通過(guò)測(cè)試則不能用上述方法。如果對(duì)功率的顯示沒(méi)有要求，則可以利用觸發(fā)的功能來(lái)檢測(cè)信號(hào)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(hào)才能夠被觸發(fā)。每次觸發(fā)頻譜儀都會(huì)重新掃描一次，人眼可以觀察到屏幕的閃動(dòng)（但由于觸發(fā)延時(shí)，無(wú)法在屏幕上看到捕獲的信號(hào)圖像），沒(méi)有觸發(fā)的時(shí)候屏幕圖像固定不動(dòng)。這樣我們就可以根據(jù)觸發(fā)的情況來(lái)判斷產(chǎn)品的品質(zhì)。
3.2 綜合測(cè)試方法
一般產(chǎn)線對(duì)信號(hào)的頻率和功率同時(shí)都有較嚴(yán)格的要求，分別進(jìn)行功率、頻率通過(guò)測(cè)試的方法在實(shí)際運(yùn)用中還是稍顯繁瑣，這里特別推薦另外一種綜合測(cè)試的方法，其特點(diǎn)是首先將SPAN設(shè)置為零頻跨。
我們將捕獲的信號(hào)的持續(xù)時(shí)間設(shè)為500微妙，頻率設(shè)為3MHz的信號(hào)，功率1dBm，發(fā)送間隔為1s。然后利用信號(hào)發(fā)生器將信號(hào)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(diǎn)上，根據(jù)濾波器的特性，有微小頻率偏移的信號(hào)捕獲后的功率會(huì)被衰減。分別將信號(hào)的頻率以3MHz為中心左右調(diào)偏50kHz、100kHz、200kHz和500kHz，信號(hào)衰減后的功率幅度如下圖中所示。
據(jù)此，產(chǎn)線上的通過(guò)測(cè)試可以按照上圖中的設(shè)置，將標(biāo)準(zhǔn)理想信號(hào)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(hào)在捕獲后的功率會(huì)下降到下限制線以下，將會(huì)被判定為Fail，同時(shí)，如果信號(hào)本身的功率不夠準(zhǔn)確，在上下限制線之外的，也會(huì)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(guò)測(cè)試設(shè)置方法*有可能疏漏的信號(hào)是功率偏大，同時(shí)又有頻偏的信號(hào)。其頻偏造成的捕獲衰減若剛好將其功率過(guò)大的部分衰減到標(biāo)準(zhǔn)功率范圍，則會(huì)被測(cè)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(cè)試功率的方法判斷信號(hào)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(hào)全部被判為Fail，使通過(guò)測(cè)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(tái)頻譜儀先后做測(cè)試，固緯GSP830頻譜分析儀為用戶提供了一套簡(jiǎn)便實(shí)用的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)（SEQ）。只需從前面板設(shè)置好測(cè)量順序設(shè)定，再經(jīng)過(guò)一鍵操作，儀器會(huì)方便地單次或連續(xù)運(yùn)行不同的測(cè)量設(shè)定，亦或由用戶指令一步步地運(yùn)行整個(gè)測(cè)量步驟。.
上圖即是固緯GSP830頻譜分析儀自動(dòng)測(cè)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(cè)量的具體步驟以及每一步的參數(shù)設(shè)置，并通過(guò)延遲時(shí)間的設(shè)置設(shè)定每一步測(cè)量的等待時(shí)間。由于我們本例需要做的是產(chǎn)線上的通過(guò)測(cè)試，所以我們?cè)谶M(jìn)行SEQ測(cè)量之前首先要將設(shè)置好的Limit Line打開(kāi)。如上圖所示，編輯好SEQ的測(cè)試程序后，點(diǎn)擊執(zhí)行按鈕，選擇重復(fù)測(cè)試并現(xiàn)在執(zhí)行，頻譜儀就開(kāi)始運(yùn)行自動(dòng)測(cè)量了，我們就可以看到下面的畫(huà)面。
屏幕zui下方提示欄里的“SEQ”圖標(biāo)告訴我們，測(cè)試正在運(yùn)行，我們可以通過(guò)右側(cè)的功能鍵停止自動(dòng)測(cè)試的執(zhí)行。屏幕正下方的“PASS”或“FAIL”告訴我們每一次測(cè)試的結(jié)果。
- 結(jié)語(yǔ)
在TPMS的測(cè)試中，信號(hào)的頻率比本文的范例高，但實(shí)際的測(cè)量方法沒(méi)有區(qū)別。測(cè)量的功率精度可以達(dá)到0.1dBm，頻率精度可以達(dá)到1kHz。在幾百兆赫茲頻率的信號(hào)測(cè)量中kHz級(jí)別的精度一般能滿足絕大多數(shù)測(cè)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(hào)的長(zhǎng)間隔高頻瞬時(shí)信號(hào)很常見(jiàn)，應(yīng)用也非常廣泛。就如何利用射頻工程師手邊常見(jiàn)的頻譜分析儀對(duì)此類信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的測(cè)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(hào)的品質(zhì)檢測(cè)，本文從參數(shù)測(cè)量、單一量測(cè)試、直至綜合測(cè)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(shí)用也較易操作。另外，此實(shí)驗(yàn)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(dòng)測(cè)量）功能以及方便靈活的“Limit Line”（通過(guò)測(cè)試）功能，使我們可以通過(guò)前面板的按鍵定義自己的宏，并把它們保存下來(lái)，使頻譜儀按程序執(zhí)行準(zhǔn)確的自動(dòng)測(cè)量，完成了兩臺(tái)頻譜儀的工作。這一系列功能和方法運(yùn)用在產(chǎn)線上，能極大地提率、降低成本。
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