使用數(shù)字頻譜分析儀，輕松測量無線胎壓檢測系統(tǒng)
一般的ABS除可改善煞車系統(tǒng)的強制性控制性能之外，也可運用輪胎與地面的摩擦力信息減少停車距離，由于目前的ABS無法直接測量到摩擦力，往往須間接靠監(jiān)測各個輪胎的轉速而造成時間上的延遲效應與測量誤差，因此只有直接監(jiān)測輪胎應變才能直接測量精確的摩擦力，進而提升ABS的效能。
自從配備傳感器以監(jiān)測應變量、氣壓與溫度的智能型輪胎問世以來，汽車的安全性能便大幅提升，也使配有能傳輸應變數(shù)據(jù)到反鎖煞車系統(tǒng)(ABS)的傳感器或電子穩(wěn)定程序系統(tǒng)的輪胎應變監(jiān)測系統(tǒng)需求水漲船高，同時其規(guī)格需求也進一步以提升胎壓監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)之輪胎安全性與降低成本為主要考慮的重點
然而，在胎壓傳感器裝載到智能型輪胎上仍受諸多必要的規(guī)范限制。首先，在輪胎轉動下難以采用接線式傳感器，使無線監(jiān)測成為無可避免的方式；其次，由于輪胎上的橡膠具有較低的硬度，倘若直接在上面以鑲嵌或貼上傳感器容易造成輪胎應力測量上的干擾與形變問題；第三，由于傳感器與輪胎橡膠的硬度差異性較大，往往會造成在長期使用下的脫落問題，故須設法降低兩者之間的硬度差異性；最后，只有低價的傳感器才能搭配低價的輪胎。
實際上，通常搭配智能型輪胎上的傳感器總是無法完全滿足上述各項規(guī)格上的需求，如采用表面聲波傳感器的胎壓偵測往往由于在不易控制輪胎形變量下產(chǎn)生輪胎形變而引起的干擾問題；而微機電的無線應變測量系統(tǒng)則是鑲嵌于智能型的復合式結構中，由于傳感器與輪胎橡膠的硬度差異性較大，往往造成在長期使用下的脫落問題，故其耐用性備受考驗。
利用頻譜分析儀測量TPMS工作信號
長間隔高頻瞬時信號廣泛應用于無線傳感器、無線通訊等領域。由于數(shù)字頻譜分析儀受掃描時間的制約，在擷取2毫秒(ms)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)講求高質(zhì)量、低成本、高效率(QCE)，運用性價比高的頻譜分析儀完成這類長間隔高頻瞬時信號在生產(chǎn)在線的測試則相當重要。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置；最后介紹生產(chǎn)在線實用的綜合測試方案。
TPMS主要用于汽車行駛時，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警報，以保障行車安全。目前，TPMS主要分為兩種類型，一種是間接式TPMS(Wheel-Speed Based TPMS, WSB TPMS)，這種系統(tǒng)是透過汽車ABS系統(tǒng)的輪速傳感器比較輪胎之間的轉速差別，以達到監(jiān)視胎壓的目的，此類型系統(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每小時100公里的情況進行判斷。
另一種是直接式TPMS(Pressure-Sensor Based TPMS, PSB TPMS)(圖1)，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)測模塊由智能傳感器系統(tǒng)單芯片(SoC)、微控制器(MCU)、射頻(RF)發(fā)射芯片、鋰電池、天線等部分組成，完成測量后，透過無線電頻率調(diào)制發(fā)射一個瞬時信號給安裝在駕駛臺的中央監(jiān)視器。中央監(jiān)視器接收遠程輪胎壓力監(jiān)測(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。
圖1 直接式TPMS工作狀態(tài)示意
RTPM與中央監(jiān)視器之間透過RF信號通訊，此信號的良莠直接關系TPMS的安全質(zhì)量，透過頻譜分析儀對此信號進行擷取、測量和分析是在TPMS產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)檢測中必不可少的。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定，但最快的不低于800毫秒，一般為2秒以上，大多為幾秒到幾十秒。RTPM每次發(fā)送的信號持續(xù)時間卻短得多，一般在2毫秒以內(nèi)，所以TPMS工作信號的特點是間歇長、發(fā)送時間短，同時頻率較高，其工作頻率北美標準為315MHz，歐洲標準為433.92MHz，韓國為448MHz，另有新標準為868MHz，其發(fā)射功率不能超過10dBm，否則要接受無線電管制，工作模式有幅度鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)，其中FSK抗干擾較好。
信號擷取與基本測量循序漸進
由于目前大多數(shù)數(shù)字頻譜分析儀的掃描時間都比TPMS工作信號的發(fā)送時間長，而掃描時間快到微秒級的頻譜分析儀價格相當昂貴，所以使用一般的頻譜分析儀對信號進行準確的擷取須對頻譜分析儀進行一些設置，操作上要有一定的熟練度。以下先用信號產(chǎn)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廠商生產(chǎn)的頻譜分析儀，以擷取、測量信號，并輔助使用數(shù)字示波器。
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待測長間隔高頻瞬時信號
用信號產(chǎn)生器產(chǎn)生一個FSK信號，調(diào)制脈沖信號的周期設為2秒，占空比為0.1%(即瞬時信號持續(xù)2毫秒，載波信號頻率設為2MHz的正弦，在示波器上可以看到信號的時域波形如圖2所示。圖2(a)(b)(c)三個圖是在不同大小的時基下觀察到的信號波形，從圖中不難理解這種類似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、無線射頻辨識系統(tǒng)(RFID)等許多領域都很常見。
圖2 (a)(b)(c)分別代表不同時基下的工作信號示意圖
信號采集與測量
將FSK信號送進頻譜分析儀后，按下自動設定(Autoset)鍵，將發(fā)現(xiàn)信號很難擷取；打開峰值保持，也看不到信號擷取留下的波形，由于FSK信號難于擷取，一次性較精準測得其頻率和功率有較大困難，因此先分別測量功率和頻率，從而較準確地獲得信號的參數(shù)。
測量信號頻率時，可以打開峰值保持，將中心頻率設在2MHz。頻率跨度的選擇須考慮與解析頻寬(RBW)的搭配，若測量范圍(SPAN)和RBW相差很大，加上信號擷取困難，測得頻率所需時間會非常長；若SPAN和RBW相差很小，則容易造成頻率測量不準確。可選擇30kHz的RBW和1MHz的SPAN，在這種情況下，頻譜分析儀不能保證對每一個瞬時信號都能成功擷取，所以在頻譜分析儀上看到的頻譜變化間隔往往大于2秒，這是由于SPAN大于RBW時，若信號進入頻譜分析儀時其實時掃描的頻率偏離信號真實頻率，則信號將無法被擷取，但經(jīng)過稍長的一段時間(取決于SPAN和RBW之差)后，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)此一圖像可輕易透過搜索峰值讀出信號頻譜中心點的頻率，精準度可以達到kHz的級別，如圖3所示，測得信號頻率為2.0MHz。
圖3 透過峰值讀出信號頻譜中心點頻率
若測量FSK信號的重點在于精確了解其功率，并且希望盡可能多擷取到每一個送入頻譜分析儀的信號，則可重新調(diào)整SPAN和RBW，使其相等，或SPAN略小于RBW，如將SPAN設為200kHz，RBW設為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)的每一個進入頻譜分析儀的信號都能被擷取，透過MARK的峰值檢測，其功率也能方便、準確地讀出，如圖4所示，其功率讀值為-8.1dBm。
圖4 透過MARK峰值檢測讀出功率讀值
經(jīng)過多次擷取后不難發(fā)現(xiàn)，每次擷取的功率相差非常小，這也說明此方法測得的功率值具有較高的可靠性。
生產(chǎn)在線通過測試
生產(chǎn)在線的通過測試分為單一參數(shù)的通過測試與綜合測試兩種，以下將分別介紹：
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單一參數(shù)通過測試
若要通過測試，首要的要求是每一次信號都要被擷取，亦即RBW須大于等于SPAN，若產(chǎn)線對頻率的準確度要求在幾十kHz的范圍內(nèi)，而對功率要求較高，如零點幾dBm，則可設置對于信號功率要求的通過測試。
另外，可在頻譜分析儀上設置通過/失敗(Pass/Fail)的功率限制線(Limit Line)，如圖5所示，使功率滿足限制范圍的信號(產(chǎn)品)通過。這一應用只須在2.2.2的設置基礎上進入限制線菜單進行Pass/Fail功能設置即可，廠商分析儀產(chǎn)品限制線菜單的設置靈活，可以方便地編輯使用者須設定的功率上限和下限。限制線透過表格形式編輯在線的各點，各點連成的限制曲線可滿足使用者在不同頻率點有不同功率標準的需要，而非簡單的直線，透過簡單幾個鍵的設置，頻譜分析儀即能幫助使用者將符合要求的信號判定為通過，而所有不符合要求的信號都將被準確無誤地判定為失敗，圖6所示為通過測試時頻譜儀顯示的畫面。
圖5 設置工率限制線
圖6 通過測試示意圖
由于前述功率測量設置測得的頻率并不十分準確，所以對于信號頻率的通過測試則不能用上述方法。若對功率的顯示沒有要求，則可利用觸發(fā)的功能檢測信號頻率，在頻譜分析儀的觸發(fā)菜單中，可設置觸發(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被觸發(fā)，每次觸發(fā)頻譜儀都會重新掃描一次，人眼可觀察到屏幕的閃動，不過由于觸發(fā)延時，因此無法在屏幕上看到擷取的信號圖像，而沒有觸發(fā)的時候，屏幕圖像固定不動，這樣就可根據(jù)觸發(fā)的情況判斷產(chǎn)品的質(zhì)量。
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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，這里推薦另外一種綜合測試的方法，其特點是首先將SPAN設置為零頻跨，將擷取的信號的持續(xù)時間設為500微秒、頻率設為3MHz的信號、功率1dBm與發(fā)送間隔為1秒，然后利用信號產(chǎn)生器將信號的頻率在3MHz附近調(diào)整。由于中心頻率3MHz，零頻跨的頻譜分析儀掃描的范圍只在3MHz這一點上，根據(jù)濾波器的特性，有微小頻率偏移的信號擷取后的功率會被衰減，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圖7所示。
圖7 信號衰減后的功率幅度
據(jù)此，產(chǎn)在線的通過測試可以按照圖7中的設置，將標準理想信號的頻率設為中心頻率，將SPAN設為零頻跨，而后根據(jù)需要設置功率限制線，如此一來，頻率不夠準確的信號在擷取后，功率會下降到下限制線以下，將會被判定為失敗，同時，若信號本身的功率不夠準確，在上下限制線之外的，也會被判定為失敗，若需要更準確的頻率判定精度，可選取小一些的RBW，如圖8所示，30kHz的RBW可非常明顯的區(qū)分±5kHz的頻率誤差。
圖8 利用30kHz的RBW區(qū)分正負5kHz頻率誤差
這種零SPAN的通過測試設置方法唯一有可能疏漏的信號是功率偏大，同時又有頻偏的信號。頻偏造成的擷取衰減若剛好將其功率過大的部分衰減到標準功率范圍，則會被測試判為通過，從而造成誤判，若能先用之前所述的單純測試功率方法判斷信號功率，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失敗，使通過測試高效而準確。
然而，并不須在產(chǎn)在線用兩臺頻譜分析儀先后做測試，廠商推出的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)，只須從前面板設置好測量順序設定，再經(jīng)過一鍵操作，儀器會方便地單次或連續(xù)運行不同的測量設定，抑或由使用者指令一步步地運行整個測量步驟。
如圖9所示，畫面所顯示的內(nèi)容即是頻譜分析儀SEQ菜單下的編輯接口。在接口下方的編輯方塊中，可以逐步設定頻譜儀測量的具體步驟及每一步的參數(shù)設置，并通過延遲時間的設置設定每一步測量等待時間。由于本文范例須做產(chǎn)在線的通過測試，所以在進行SEQ測量之前首先要將設置好的限制線打開。圖9中編輯完成SEQ的測試程序后，點擊執(zhí)行按鈕，選擇重復測試并立即執(zhí)行，頻譜儀就開始運行自動測量。
圖9 SEQ菜單下之編輯接口
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Hz頻率的信號測量中，kHz級別的精度一般能滿足絕大多數(shù)測量需求，在工業(yè)生產(chǎn)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。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確可靠的測量，在產(chǎn)在線能低成本、高效率地完成相關產(chǎn)品此類信號的質(zhì)量檢測，本文從參數(shù)測量、單一測量試、直至綜合測試，提出一系列操作的參考方法，所涉及的大都是諸如RBW、SPAN等常用設置，較為實用也較易操作。
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