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一种手持式NB-IoT终端综合测试仪的设计与实现

发布日期:2021-07-15 20:08   来源:未知   阅读:

  随着5G技术的成熟与快速发展,推动了窄带技术的长期演进。由于具有广覆盖、高密度、低功耗、低成本等特点,终端信号分析也就成为了终端一致性测试的关键。本文在分析NB-IoT终端测试协议基础上,提出了一种手持式NB-IoT终端综合测试仪设计方法,集成了终端的多种测试功能,提高了NB-IoT终端在生产测试中的测试效率。测量结果验证了所提方法的有效性。

  随着5G 技术的成熟与快速发展,推进了窄带物联网NB-IoT 技术的长期演进。在3GPP R14、R15 和R16b 版本中,作为低功耗广域物联网技术,NB-IoT 技术的演进和升级[1-2],使之进入了5G 候选技术集合[3]。作为物联网通信标准之一,NB-IoT 技术支持广泛的新物联网设备连接和服务,有利于实现物联网设备的大规模部署和低成本、低功耗、长电池使用寿命方案的实施。它具有广覆盖、高密度、低功耗、低成本等特点,又能基于现有蜂窝基站基础设施实现大量物联网设备的互联互通,在智慧城市建设、工业自动化、智能交通、www.234600.com!智能家居和数字医疗等领域得到了大量应用[4-6]。由于基于NB-IOT 技术的物联网设备的大规模部署、种类繁多的物联设备和低成本要求,对这些设备的各种测试提出了很高的要求,测试的复杂性也随之增加。

  对于NB-IOT 终端设备的测试主要分为NB-IOT 协议一致性测试、NS-IOT 测试、RRM 一致性测试、射频RF 指标测试、功耗测试、互操作性测试、OTA 测试和产线 技术提出了NB-IoT 终端射频一致性测试平台,仅能满足协议栈的一致性测试和实验室验证。如何满足不同种类NB-IoT终端设备的低成本高效测试已成为一个亟待解决的难题。目前国外主流仪表生产厂商都是基于现有仪表硬件架构,通过NB-IoT 软件升级包的形式支持测试,因此其低成本的优势也就不再显现;国内仪表厂商对于NBIoT测试的仪表功能单一。综上所述,本文针对NBIOT终端设备提出了一种低成本、手持式、支持多功能测试的终端综测仪软硬件设计方法和实现技术。

  作者简介:王先鹏(1986—),男,通信作者,硕士,工程师,主要研究方向:5G NR/LTE移动通信测试系统开发,e-mail:。

  由于NB-IoT 终端具有低功耗、低成本等特点,所以NB-IoT 终端综测硬件平台需要一个高指标,低成本的射频前端模块、高效的数据处理模块和协议栈模块以及低功耗分析检测模块。综合考虑多方面因素,本文提出了一种硬件总体设计方案,结构如图1 所示。

  射频模块由射频发射通道、射频接收通道、收发本振、射频开关矩阵和时基参考板构成,实现射频信号与中频信号的相互转化。射频开关矩阵使用NB-IoT终端产线的自动化快速测试方法,而一般单台仪表的标配为一个收发合路的天线模块。射频频率范围为(70~6 000)MHz。中频处理模块由FPGA+ARM 结构组成,FPGA 实现下行信号的发送和上行信号的采集分析,ARM 实现线程调度、数据分析、与人机接口通信以及整机状态维测管理等;协议栈模块负责NB-IoT 信令流程交互控制;功耗分析模块实现对终端的电流分析。

  NB-IoT 下行采用OFDMA 技术,占用带宽200 kHz,实际占用180 kHz,两边各有10 kHz 的保护带宽,在LTE Inband 部署时相当于1 个RB。下行子载波带宽15 kHz。NB-IoT 上行则采用SC-FDMA 技术,有3.75 kHz和15 kHz 两种带宽。鉴于射频硬件和FPGA+ARM 构成的数据处理模块的通用性(例如支持LTE 测试),中频处理单元采样率设为30.72 Mbit/s,分析带宽为30.72 MHz。中频信号处理单元将中频信号通过A/D 模数转换器变成数字信号,且FPGA 可以采用中频功率或者帧同步实现终端上行信号的同步。

  根据硬件架构以及支持的功能划分,NB-IoT 终端综测仪软件架构如图2 所示。

  从图中可以看出,软件部分主要包含中频和射频逻辑处理模块、驱动模块、ARM 中的业务调度模块、数据处理模块、统计分析模块、TCP 通信模块、协议栈和人机/ 自动化接口等。NB-IoT 物理层的数据分析由FPGA 完成实时IQ 数据的采集、解调和计算,ARM 进行业务调度,同步实现数据处理和统计分析。协议栈模块仅在进行NB-IoT 协议测试(信令模式)时才被激活,与FPGA 中物理层实时处理单元构建一个完整的上下行通信链路。

  本文选择NB-IoT 终端进行非信令模式下射频指标测试。中心频率1 GHz 作为测试例,模式设置为DL FDD Stand-alone,触发模式为中频功率触发,相关参数配置按照3GPP TS 36.101、3GPP TS 36.521 协议中规定进行设置[9-10],具体测试结果如图3 所示。

  图3 中显示与NB-IoT 终端上行信号同步成功,并从时域、频域和解调域3 个方面对终端上行信号进行了分析,包括:EVM、星座图、频谱、时域功率和资源分配表等。

  本文针对NB-IoT 的特点和测试需求,提出的硬件平台设计方法可以实现NB-IoT 的信令与非信令测试,通过8T8R 功分模块实现产线多终端自动化并行快速测试。本文所提出的设计方案实现了单台NB-IoT 终端综测仪集协议测试、射频指标测试、RRM 测试的一体化,香港六会彩资料中心在生产测试和内外场测试中显著提高测试效率,降低了成本。

  [4] 高宏宇,王鸿磊,凌启东.基于NB-IoT的云平台无线数据监控系统设计[J].河北软件职业技术学院学报术,2019,21(1):10-13.

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