TPMS工作信號測試

頻譜分析儀(yi) 測量TPMS工作信號測試

長間隔高頻瞬時信號廣泛應用於(yu) 無線傳(chuan) 感器、無線通訊等領域。由於(yu) 數字頻譜分析儀(yi) 受掃描時間的製約，在捕獲2毫秒以下的瞬時信號時往往遇到很大困難，掃描時間越短的數字頻譜分析儀(yi) 價(jia) 格越昂貴。工業(ye) 生產(chan) 講求QCE（高品質、低成本、率），如何運用性價(jia) 比高的頻譜分析儀(yi) 來成功完成這類長間隔高頻瞬時信號在生產(chan) 線上的測試呢？

本文以TPMS工作信號為(wei) 例，首先介紹此類信號特性；而後從(cong) 單一的對信號功率、頻率分別測試的方法入手，介紹測試儀(yi) 器的基本設置；zui後介紹生產(chan) 線上實用的綜合測試方案。本文中您可以看到，我們(men) 通過具體(ti) 的實踐操作，驗證了方法的有效性和可靠性。

1. 關於TPMS

TPMS 即汽車輪胎壓力監視係統 “Tire Pressure Monitoring System”，主要用於(yu) 在汽車行駛時實時的對輪胎氣壓進行自動監測，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(wei) 兩(liang) 種類型，一種是 Wheel-Speed Based TPMS（簡稱：WSB TPMS，或稱為(wei) 間接式 TPMS ），這種係統是通過汽車 ABS 係統的輪速傳(chuan) 感器來比較輪胎之間的轉速差別，以達到監視胎壓的目的，該類型係統的主要缺點是無法對兩(liang) 個(ge) 以上輪胎同時缺氣的狀況和速度超過100公裏/小時的情況進行判斷。另一種是 Pressure-Sensor Based TPMS（簡稱：PSB TPMS，或稱為(wei) 直接式 TPMS），直接式TPMS從(cong) 功能和性能上均優(you) 於(yu) 間接式TPMS。直接式TPMS係統在每一個(ge) 輪胎裏安裝壓力傳(chuan) 感器來直接測量輪胎的氣壓，並對各輪胎氣壓進行顯示及監視，當輪胎氣壓太低或有滲漏時，係統會(hui) 自動提出警告。安裝在每一個(ge) 輪胎裏的遠程輪胎壓力監測模塊（Remote Tire Pressure Monitoring，由智能傳(chuan) 感器SOC、單片機MCU、RF發射芯片、鋰亞(ya) 電池、天線等部分組成） 完成測量後，通過無線電頻率調製發射一個(ge) 瞬時訊號給安裝在駕駛台的中央監視器。中央監視器接收RTPM模塊發射的信號，將各個(ge) 輪胎的壓力和溫度數據顯示在屏幕上，監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(ge) 輪胎的氣壓狀況，當輪胎氣壓太低、滲漏、太高、或溫度太高時，係統就會(hui) 自動提出警告。

RTPM與(yu) 中央監視器之間通過RF訊號通訊，此訊號的良莠直接關(guan) 係到TPMS的安全品質。通過頻譜分析儀(yi) 對此信號進行抓獲、測量和分析是在TPMS產(chan) 品的設計和生產(chan) 檢測中*的。

TPMS的RTPM並非不間斷地對輪胎胎壓進行檢測並向中央監視器發送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(wei) 設定，但zui快的也不低於(yu) 800ms，一般為(wei) 2s以上，多為(wei) 幾秒到幾十秒。RTPM每次發送的信號持續時間卻要短得多，一般在2ms以內(nei) ，多為(wei) 微妙級時長。所以TPMS工作訊號的特點是間歇長，發送時間短，同時頻率較高。其工作頻率北美標準為(wei) 315MHz，歐洲標準為(wei) 433.92MHz，韓國為(wei) 448MHz，另有新標準為(wei) 868MHz。其發射功率不能超過10dBm，否則要接受無線電管製。工作模式有ASK（幅度鍵控）、FSK（頻移鍵控），FSK抗幹擾較好。

1. 信號的抓獲與基本測量

由於(yu) 目前大多數數字頻譜分析儀(yi) 的掃描時間都大於(yu) TPMS工作信號的發送時長，掃描時間快到微秒級的頻譜儀(yi) 價(jia) 格相當昂貴，所以要用一般的頻譜分析儀(yi) 對此信號進行準確的捕獲需要對頻譜分析儀(yi) 進行一些設置，使用操作要有一定的熟練度。下麵，我們(men) 先用信號發生器模擬一個(ge) 類似TPMS工作信號的長間隔高頻瞬時信號，然後具體(ti) 介紹如何使用固緯電子生產(chan) 的3GHz頻譜分析儀(yi) ——GSP830，來捕獲、測量此信號，輔助使用的數字示波器是固緯電子生產(chan) 的200MHz帶寬的GDS2202。

2.1 待測的長間隔高頻瞬時信號

用信號發生器產(chan) 生一個(ge) FSK信號，調製脈衝(chong) 信號的周期設為(wei) 2s，占空比為(wei) 0.1%（即瞬時信號持續2ms），載波信號頻率設為(wei) 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(ge) 圖是在不同大小的時基下觀察到的信號波形。從(cong) 圖中我們(men) 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(chuan) 感器、無線RFID等許多領域都很常見。

2.2 信號捕獲和測量

將此信號送進頻譜分析儀(yi) ，按下“Autoset”鍵，我們(men) 發現信號很難捕獲；打開峰值保持，也看不到信號捕獲留下的波形。由於(yu) 此信號難於(yu) 捕獲，一次性較地測得其頻率和功率有較大困難。這裏我們(men) 先分別測量功率和頻率，從(cong) 而較準確地獲得信號的參數，隨後在第三部分著重介紹產(chan) 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(men) 可以打開峰值保持，將中心頻率設在2MHz。頻率跨度的選擇需要考慮與(yu) RBW的搭配，如果SPAN和RBW相差很大，則由於(yu) 捕獲困難，測得頻率所需時間會(hui) 非常長；如果SPAN和RBW相差很小，則容易造成頻率測量不準確。我們(men) 可以選擇30kHz的RBW和1MHz的SPAN。在這種情況下，頻譜儀(yi) 不能保證對每一個(ge) 瞬時信號都成功捕獲，所以我們(men) 在頻譜儀(yi) 上看到的頻譜變化間隔往往大於(yu) 2s。這是由於(yu) SPAN大於(yu) RBW的時候，如果信號進入頻譜儀(yi) 時頻譜儀(yi) 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。但經過稍長的一段時間（取決(jue) 於(yu) SPAN和RBW之差）之後，我們(men) 依然能在峰值保持的模式下觀察到信號累積的頻譜情況，根據這一圖象我們(men) 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(wei) 2.0MHz。

2.2.2 功率測量

如果我們(men) 測量此信號的重點在於(yu) 地了解其功率，並且希望盡可能多地捕獲到每一個(ge) 送入頻譜儀(yi) 的信號，我們(men) 可以重新調整SPAN和RBW，使它們(men) 相等，或SPAN略小於(yu) RBW，如將SPAN設為(wei) 200kHz，RBW設為(wei) 300kHz。此時，因為(wei) RBW的頻寬覆蓋了整個(ge) 掃描範圍，所以在此範圍內(nei) 的每一個(ge) 進入頻譜儀(yi) 的信號都能被捕獲。通過MARK的峰值檢測，其功率也能方便、準確地讀出，如下左圖，其功率讀值為(wei) -8.1dBm。

經過多次捕獲我們(men) 不難發現，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。

1. 生產線上的通過測試

3.1 單一參數的通過測試

通過測試，首要的要求是每一次信號都要被捕獲（即需要RBW大於(yu) 等於(yu) SPAN）。如果產(chan) 線對頻率的準確度要求在幾十千赫茲(zi) 的範圍內(nei) ，而對功率要求較高，如零點幾dBm，則可設置對於(yu) 信號功率要求的通過測試。

我們(men) 可以在頻譜儀(yi) 上設置Pass/Fail的功率限製線（Limit Line），如上圖，使得功率滿足限製範圍的信號（產(chan) 品）通過。這一應用隻需在2.2.2的設置基礎上進入Limit Line菜單進行率Pass/Fail功能設置即可。固緯GSP830的Limit Line菜單的設置靈活方便，可以方便地編輯用戶需要設定的功率上限和下限。限製線通過表格形式編輯線上的各點，各點連成的限製曲線可以滿足用戶在不同頻率點有不同功率標準的需要，而非簡單的直線。通過簡單幾個(ge) 鍵的設置，GSP830即能幫助用戶將符合要求的信號判定為(wei) Pass，而所有不符合要求的信號都將被準確無誤地判定為(wei) Fail。下圖是通過測試中頻譜儀(yi) 顯示的畫麵。

由於(yu) 2.2.2的設置測得的頻率並不十分準確，所以對於(yu) 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，則可以利用觸發的功能來檢測信號頻率。在頻譜儀(yi) 的觸發菜單中，設置觸發頻率和觸發電平（功率），滿足頻率和功率條件的信號才能夠被觸發。每次觸發頻譜儀(yi) 都會(hui) 重新掃描一次，人眼可以觀察到屏幕的閃動（但由於(yu) 觸發延時，無法在屏幕上看到捕獲的信號圖像），沒有觸發的時候屏幕圖像固定不動。這樣我們(men) 就可以根據觸發的情況來判斷產(chan) 品的品質。

3.2 綜合測試方法

一般產(chan) 線對信號的頻率和功率同時都有較嚴(yan) 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，這裏特別推薦另外一種綜合測試的方法，其特點是首先將SPAN設置為(wei) 零頻跨。

我們(men) 將捕獲的信號的持續時間設為(wei) 500微妙，頻率設為(wei) 3MHz的信號，功率1dBm，發送間隔為(wei) 1s。然後利用信號發生器將信號的頻率在3MHz附近調整。由於(yu) 中心頻率3MHz，零頻跨的頻譜儀(yi) 掃描的範圍隻在3MHz這一點上，根據濾波器的特性，有微小頻率偏移的信號捕獲後的功率會(hui) 被衰減。分別將信號的頻率以3MHz為(wei) 中心左右調偏50kHz、100kHz、200kHz和500kHz，信號衰減後的功率幅度如下圖中所示。

據此，產(chan) 線上的通過測試可以按照上圖中的設置，將標準理想信號的頻率設為(wei) 中心頻率，將SPAN設為(wei) 零頻跨，而後根據需要設置功率限製線（Limit Line）。這樣，頻率不夠準確的信號在捕獲後的功率會(hui) 下降到下限製線以下，將會(hui) 被判定為(wei) Fail，同時，如果信號本身的功率不夠準確，在上下限製線之外的，也會(hui) 被判定為(wei) Fail。如果需要更準確的頻率判定精度，可以選取小一些的RBW。如下圖，30kHz的RBW可以非常明顯的區分正負5kHz的頻率誤差。

這種零SPAN的通過測試設置方法*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準功率範圍，則會(hui) 被測試判為(wei) Pass，從(cong) 而造成我們(men) 不期望的誤判。如果我們(men) 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準的信號全部被判為(wei) Fail，使通過測試而準確。

然而，可能出您意料的是，我們(men) 並不需要在產(chan) 線上用兩(liang) 台頻譜儀(yi) 先後做測試，固緯GSP830頻譜分析儀(yi) 為(wei) 用戶提供了一套簡便實用的自動測量係統（SEQ）。隻需從(cong) 前麵板設置好測量順序設定，再經過一鍵操作，儀(yi) 器會(hui) 方便地單次或連續運行不同的測量設定，亦或由用戶指令一步步地運行整個(ge) 測量步驟。.

上圖即是固緯GSP830頻譜分析儀(yi) 自動測量係統（SEQ）菜單下的編輯界麵。在界麵下方的編輯框中，我們(men) 可以一步步地設定頻譜儀(yi) 測量的具體(ti) 步驟以及每一步的參數設置，並通過延遲時間的設置設定每一步測量的等待時間。由於(yu) 我們(men) 本例需要做的是產(chan) 線上的通過測試，所以我們(men) 在進行SEQ測量之前首先要將設置好的Limit Line打開。如上圖所示，編輯好SEQ的測試程序後，點擊執行按鈕，選擇重複測試並現在執行，頻譜儀(yi) 就開始運行自動測量了，我們(men) 就可以看到下麵的畫麵。

屏幕zui下方提示欄裏的“SEQ”圖標告訴我們(men) ，測試正在運行，我們(men) 可以通過右側(ce) 的功能鍵停止自動測試的執行。屏幕正下方的“PASS”或“FAIL”告訴我們(men) 每一次測試的結果。

1. 結語

在TPMS的測試中，信號的頻率比本文的範例高，但實際的測量方法沒有區別。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(zi) 頻率的信號測量中kHz級別的精度一般能滿足絕大多數測量需要。

在工業(ye) 生產(chan) 和日常生活當中，類似TPMS工作信號的長間隔高頻瞬時信號很常見，應用也非常廣泛。就如何利用射頻工程師手邊常見的頻譜分析儀(yi) 對此類信號進行準確可靠的測量，如何在產(chan) 線上能低成本率地完成相關(guan) 產(chan) 品此類信號的品質檢測，本文從(cong) 參數測量、單一量測試、直至綜合測試，給出了一係列操作的參考方法。所涉及的大都是諸如RBW、SPAN等常用設置，較為(wei) 實用也較易操作。另外，此實驗中使用的固緯電子生產(chan) 的3GHz頻譜分析儀(yi) 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(men) 可以通過前麵板的按鍵定義(yi) 自己的宏，並把它們(men) 保存下來，使頻譜儀(yi) 按程序執行準確的自動測量，完成了兩(liang) 台頻譜儀(yi) 的工作。這一係列功能和方法運用在產(chan) 線上，能極大地提率、降低成本。