关于微功率无线模块测试方案的分析和介绍

一、行业分析

1.1 行业发展背景

集中抄表产品在国内从上世纪90年代发展至今，已经将近有20年的历史。其发展过程大致可划分为3个阶段。

i. 1992年至1998年8月

这个时期是集抄产品从起步到获得市场和电力设备检测权威部门认可的阶段；这个阶段的大部分时间里，因为鲜有实际的案例，一致认为抄表系统实在是太简单了，市场是如此巨大，充满了诱惑！这个时期是从产品在市场上出现到行业标准《低压电力用户集中抄表系统技术条件》（试行）的推广开始。这个时期的产品不论市场还是技术普遍具有试验和摸索的特点。

这时期的数据传输方式有：RS485总线，Can bus总线，低压电力线载波通讯，LONWORKS技术，自制总线，无线传输等等，基本可以开发和想到的方式都被进行尝试，但由于缺乏规范和统一性，产品的稳定性，数据传输的可靠性及抄表数据的准确性等都面临诸多的考验。

ii. 1998年8月至2005年

这个时期一开始，行业标准DLT/698《低压电力用户集中抄表系统技术条件》正式颁布，同时随着城乡居民用电“一户一表”工程的展开，集抄产品开始得到电力用户的关注和耐心了解。

传输方式的变化：这时期的传输方式已不再是最开始的百家争鸣，其中低压电力线载波技术与RS485专线在此时期脱颖而出。

低压电力线载波通信的应用水平大幅提升，国外芯片技术转入国内，国内自主开发的载波技术芯片在市场崭露头角；依托巨大的低压电力传输网络，低压电力线载波技术有着无可比拟的潜力优势。但此时期的低压电力线载波因为技术成熟度不高，在数据传输的可靠性及实时性方面仍有缺陷。

而RS485专线技术以其传输的实时性及准确性的优势逐渐成为市场的主流，但其较高的布线成本及维护成本是阻碍其发展的主要原因。

iii. 2005年至今

到2005年，尽管集抄产品已经足足发展了10余年，但也就是这最近几年，集抄产品在电力行业得到全面认可和重视，这以原行业标准DLT698-1999《低压电力用户集中抄表系统技术条件》升级为DLT698-2009《电能信息采集与管理系统》为根本标志（新行业国家标准正等待发改委审批）。南方电网以广东电网为代表在2007年9月颁布了《广东电网公司低压电力用户集中抄表系统技术条件及通讯规约（6个文件）》，国家电网在2010年颁布《用电信息采集系统》企业标准。从这些标准看出，电力用户部门把集抄产品定位为电能信息采集和电力企业建立营销管理系统的技术装备。

此时的数据传输方式与之前相比加入了短距离无线通信方式：

短距离无线通讯技术在集中抄表产品发展之初就有应用，主要是集中器与采集器之间。但最初集中器端采用小功率FSK无线发射台，采用专有频段，需要向无线电管理委员会申请。无线通讯的优点是无需布线，安装方便，早期传统的无线通信技术不成熟，无线通信硬件都采用模拟电路，虽然实现了无线抄表，但存在着很多缺点：第一、模拟电路随温度湿度变化，频率偏移严重，可靠性不好；第二，通信速率低，距离近，功耗大，寿命短；第三，整体成本高，批量生产困难。这些缺点导致无线通信技术在抄表行业推广困难，发展较慢。不过最近几年，随着无线通信技术的发展，无线通信硬件采用高精度集成封装技术，环境温度湿度变化的影响受到控制，频率偏移小，可靠性大大提高；采用高效纠错技术，保证通信数据100%正确；通信距离大大提高，成本也已降低，可以满足抄表的要求。

无线通讯技术最近几年发展很快，从频率来分，有两种无线通信技术。一种是ZigBee无线网络技术；一种是433MHz470MHz开放频段的无线通信技术,这是传统无线通信技术的发展。

1.2 技术分析

i. 系统构造

当前集中抄表行业主流系统架构为：抄表中心（上位机）+集中器+采集器+表的四层架构或抄表中心（上位机）+集中器+表的三层架构。

其中抄表中心到集中器之间的链路是为上行信道；集中器到采集器、表或集中器到表的链路是为下行信道。

上行信道为远程数据传输，目前应用最为广泛的是以GSM/GPRS等现有的移动通信网络作为远程数据传输手段。其优点在于技术成熟，网络覆盖良好，但成本方面是需要考量的一个方面。其次部分使用到低压电力线载波或电话线网络进行远程的数据传输，其优势在于网络覆盖率好，但缺点在技术发展缓慢，低压电力线信道质量恶劣，实时性差、数据准确性不足等。

下行信道为短距离数据传输，目前主流应用是低压电力线载波技术及短距离无线传输技术。上述已提到低压电力线载波技术的特点，而其缺点信道质量问题在短距离传输中表现不太明显，能较好适应短距离的数据传输工作；而短距离无线传输技术近几年发展迅速，其可靠性及数据准确性方面表现要优于低压电力线载波技术。

ii. 短距离无线传输技术

短距离无线通信传输技术的核心是短距离无线数传模块，应用于集中器、采集器和采集表中。目前应用最广泛的是处于ISW--470MHz频段。根据国家电网企业标准——基于微功率无线通信的数据传输协议，其指标如下：

系统的工作频率 470MHz～486MHz

调制方式 FSK（Frequency Shift Keying）

基带信号滤波方式 高斯滤波（GFSK）

频率偏差值 25±5kHz

信道带宽 100kHz

信道切换时间 ≤500us

射频输出功率 不大于50mW (17dBm)

空中码元速率 10kbps，误差≤0.05%

发射器占用周期 ≤500毫秒

接收机灵敏度 -106dBm，接收误码率≤1%

二、测试需求分析

2.1 项目原理

短距离无线通信技术是目前集中抄表行业中下行信道最主流的两种短距离数据传输手段之一。而短距离无线通信技术的核心在于ISW频段的无线数传模块上。

该模块完成将电表的数据传输到采集器端或者采集器端数据汇总传输到集中器端，完成集中抄表中覆盖小区“最后一公里”的数据采集。

ISW频段无线数传模块为收发一体的模块，需对其整个收发过程中数据传输的距离，数据传输的稳定性、准确性，接收数据的能力，接收数据的准确性等进行评估。即对模块的整个收发性能进行测试。

对于任何一个无线通信系统而言，都需对其TX及RX性能进行分析。短距离无线通信技术作为无线通信的一种方式，同样适用。

一般而言，TX性能代表其发射信号的能力，要求发射信号功率满足设计要求，发射信号频率准确，发射信号同时产生带外杂散；RX性能代表其接受信号的能力，要求能够接收到足够弱的信号（灵敏度高），接收弱信号的时候保证数据的准确性（误码率低）等。

2.2 测试需求

短距离无线数传模块需对其TX,RX参数进行测试，参考《基于微功率无线通信的数据传输协议》指标，需测试的参数包括TX：发射功率，发射频点，频率偏移值；RX：接收灵敏度及接收误码率。

在无线通信系统中，TX性能测试一般使用频谱分析仪测试，可测试其发射功率（或通道功率），发射频点、频率偏移值，带外杂散等等。RX性能测试一般使用射频信号源，发射低功率信号测试系统的接收灵敏度指标及该指标下的误码率。

2.3 业界测试方法

业界目前针对无线数传模块的测试方法是使用频谱分析仪进行对TX性能的分析，测试模块所发射GFSK信号中心频率点功率值，频率偏移值及带外杂散等参数。使用矢量射频信号源+误码率分析选件测试模块的RX性能，测定其接收灵敏度及该灵敏度下的误码率等。

三、RIGOL解决方案

3.1 方案概述

i. 系统组成

A. 硬件部分

a) DSG3000射频信号源+IQ选件

功能：模拟微功率无线通信模块所需发射的470MHz频点GFSK信号

b) DSA800频谱分析仪

功能：测试微功率无线通信模块所发射的470MHz频点GFSK信号的功率及频点偏移值

c) DS4000数字示波器

功能：接收微功率无线通信模块解调的基带信号，并做解码分析，将解码结果输出

B. 软件部分

a) 功率及误码率分析软件（应用于计算机中）

功能：分析测试微功率无线通信模块所发射信号频率偏移值及功率值；根据误码率测试微功率无线通信模块的接收灵敏度指标

ii. 系统介绍

A. 功能说明

a) 通过串口通信，发送指令进行对模块的收发状态改变，按先发射后接收的测试流程分别对模块的发射功率值、频率偏移值及模块的接收最低灵敏度及误码率进行分析，得到模块的发射功率指标及接收灵敏度指标。模块要求发射功率值>18dBm，接收灵敏度<-106dBm并误码率<0.1%。通过此系统可实现以上两个指标测试，测试误差<1dBm。

b) 此系统更适用于产线测试，整个测试流程由软件控制，并且通过软件与工装的通信，自动完成发射与接收模式的切换，满足自动化测试生产的需求，效率较高。

3.2 测试流程图

3.3 方案分析

RIGOL的测试方案可完成对无线微功率模块的TX及RX性能测试，且测试的准确性方面与国外品牌一致，并且在自动化生产测试中由于软件的灵活及操作的便捷性更具备优势。

而最大的优势还是在于成本的控制上，国外品牌搭建的测试系统价值在25万以上，而RIGOL的微功率模块测试方案价格可控制在15万左右，性价比极高。

四、总结

短距离无线传输不仅仅应用于集中抄表行业，目前在智能家居、智能穿戴设备等方面应用也十分广泛，是构建物联网的重要组成部分。目前提供给短距离无线抄表客户的测试方案灵活且可拓展性强，针对其他调制方式的模块只需对方案稍作修改即可。