蔡建宇 董三碧 劉泳海 莫賢標(biāo)

（威凱（深圳）檢測(cè)技術(shù)有限公司 深圳 518000）

1 概述

1.1 智能家電的定義及其射頻性能檢測(cè)的必要性

《智能家電通用技術(shù)要求》[1]中對(duì)智能家電提出兩個(gè)要求：①能為用戶帶來新的感受和體驗(yàn)，這種新的感受和體驗(yàn)，是用戶使用非智能產(chǎn)品所不可能或難以獲得的；②應(yīng)使用戶更加省心、省時(shí)、省力、節(jié)省成本達(dá)到某些目的，或更容易的使其替代人類完成某些人類不易完成或不可能完成的任務(wù)。也有人認(rèn)為智能家電是將傳感器技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)家電產(chǎn)品，使家電設(shè)備具備交互智能化和網(wǎng)絡(luò)通信功能。本文中的智能家電專指應(yīng)用了Wi-Fi無線通信技術(shù)，具有遠(yuǎn)程控制功能的智能家電產(chǎn)品。

近年來，隨著信息技術(shù)水平的不斷提高以及消費(fèi)者對(duì)高品質(zhì)生活的日益增長的需求，智能家電如智能電視機(jī)、智能冰箱、智能洗衣機(jī)、智能電飯煲等逐漸進(jìn)入千家萬戶。消費(fèi)者在使用智能電視機(jī)、智能洗衣機(jī)、智能電飯煲過程中，產(chǎn)品的無線接收、無線接收的性能優(yōu)劣直接影響消費(fèi)者的使用體驗(yàn)。如果產(chǎn)品的無線傳輸、無線接收的性能較差，會(huì)出現(xiàn)影視加載緩慢、遠(yuǎn)程控制命令失敗等問題，造成使用故障，導(dǎo)致消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品滿意度低，投訴率高。同時(shí)，由于各個(gè)消費(fèi)者的房屋結(jié)構(gòu)不一以及智能家電放置的位置也不盡相同，智能家電的基本屬性——遠(yuǎn)程控制將受到嚴(yán)峻考驗(yàn)。因此，對(duì)智能家電無線傳輸、無線接收的性能進(jìn)行測(cè)試顯得格外重要，測(cè)試項(xiàng)目有總?cè)蜉椛涔β省⒖側(cè)蜉椛潇`敏度和吞吐量。

1.2 OTA的定義及其檢測(cè)項(xiàng)目

OTA（Over the Air），空口測(cè)試，即在OTA暗室中，待測(cè)物通過電磁波在空氣中傳輸，與測(cè)試儀器建立連接，從而完成無線性能的測(cè)試。

OTA暗室包括全電波暗室、混響室。OTA全電波暗室根據(jù)定位系統(tǒng)分為：OTA組合軸全電波暗室，OTA分布軸全電波暗室。本文所中OTA暗室一般特指OTA組合軸全電波暗室。

在OTA暗室可以進(jìn)行無源測(cè)試、有源測(cè)試和吞吐量測(cè)試。無源測(cè)試是測(cè)算天線的增益、效率和方法系數(shù)。有源測(cè)試項(xiàng)目包括總?cè)蜉椛涔β屎涂側(cè)蜉椛潇`敏度?？?cè)蜉椛涔β剩═otal Isotropic Radiated Power）是指整機(jī)在空間三維球面上的射頻輻射功率的積分值，反映了整機(jī)在所有方向上的輻射特性。功率反映了Wi-Fi信號(hào)的強(qiáng)弱，功率越大，信號(hào)越強(qiáng)，覆蓋的范圍越廣?？?cè)蜉椛潇`敏度（Total Isotropic Radiated Sensitivity）是指整機(jī)在空間三維球面上的接收靈敏度的積分值，反映了整機(jī)在所有方向上的接收特性。接收靈敏度反映了Wi-Fi接收質(zhì)量的優(yōu)劣，接收靈敏度的絕對(duì)值越大，接收弱信號(hào)的能力越優(yōu)秀。

空間射頻測(cè)試方法較接近產(chǎn)品實(shí)際使用場(chǎng)景，可以驗(yàn)證產(chǎn)品內(nèi)部輻射干擾、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、天線的因素、射頻芯片收發(fā)算法對(duì)其射頻性能的影響，因此本文研究在OTA暗室中Wi-Fi射頻性能的測(cè)試方法。

2 Wi-Fi射頻性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

2.1 主要標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)：YD/T2193《移動(dòng)用戶終端無線局域網(wǎng)空間射頻輻射功率和接收機(jī)性能測(cè)量方法》[3]。國外標(biāo)準(zhǔn)：《Test Plan for RF Performance Evaluation of Wi-Fi? Mobile Converged Devices V2.2.1》[4]。

2.2 OTA暗室要求

《Test Plan for RF Performance Evaluation of Wi-Fi?Mobile Converged Devices V2.2.1》[4]中明確提出2.4 G Wi-Fi和5GWi-Fi的最小測(cè)量距離要滿足LTE Band41，Band46的最小測(cè)量距離要求，靜區(qū)紋波測(cè)試應(yīng)測(cè)試（2 450±1）MHz及（5 500±1）MHz這兩個(gè)頻點(diǎn)。

2.3 測(cè)試儀表參數(shù)配置

《移動(dòng)用戶終端無線局域網(wǎng)空間射頻輻射功率和接收機(jī)性能測(cè)量方法》[3]中規(guī)定按照表1參數(shù)，對(duì)測(cè)試儀表進(jìn)行配置，測(cè)試TIRP時(shí)，允許使用ACK或ICMP中任一種方式測(cè)試?！禩est Plan for RF Performance Evaluation of Wi-Fi? Mobile Converged Devices V2.2.1》[4]規(guī)定按照表2參數(shù)，對(duì)測(cè)試儀表進(jìn)行配置。僅當(dāng)待測(cè)物不支持ICMP時(shí)，才允許使用ACK方式測(cè)試。

表1 YD/T 2193儀表參數(shù)配置

表2 CTIA Wi-Fi 儀表參數(shù)配置

2.4 待測(cè)物配置

《移動(dòng)用戶終端無線局域網(wǎng)空間射頻輻射功率和接收機(jī)性能測(cè)量方法》[3]中提出4點(diǎn)要求：①關(guān)閉Wi-Fi搜索功能；②如果可行，關(guān)閉省電模式；③當(dāng)信號(hào)降低至待測(cè)物與測(cè)試儀表斷開連接時(shí)，待測(cè)物應(yīng)嘗試與測(cè)試儀表重新連接④如果可行，關(guān)閉藍(lán)牙功能。

《Test Plan for RF Performance Evaluation of Wi-Fi?Mobile Converged Devices V2.2.1》[4]中待測(cè)物配置的4點(diǎn)要求分別為：①關(guān)閉Wi-Fi搜索功能；②如果可行，關(guān)閉省電模式；③如果可行，關(guān)閉藍(lán)牙功能；④除非測(cè)試減敏性能，否則應(yīng)關(guān)閉待測(cè)物的蜂窩模塊。

2.5 總?cè)蜉椛涔β蕼y(cè)試要求

《移動(dòng)用戶終端無線局域網(wǎng)空間射頻輻射功率和接收機(jī)性能測(cè)量方法》[3]中規(guī)定需按照表3所示，測(cè)試指定頻率和速率下待測(cè)物的總?cè)蜉椛涔β剩话凑毡?所示，測(cè)試指定頻率和速率下待測(cè)物的單點(diǎn)輻射功率。設(shè)置單點(diǎn)位置，使之與最近頻點(diǎn)總?cè)蜉椛涔β式Y(jié)果中的最佳輻射功率測(cè)量點(diǎn)相同。《Test Plan for RF Performance Evaluation of Wi-Fi? Mobile Converged Devices V2.2.1》[4]規(guī)定按照表5，測(cè)試指定頻率和速率下待測(cè)試物的TIRP。Performance Evaluation of Wi-Fi? Mobile Converged Devices V2.2.1》[4]規(guī)定按照表8，測(cè)試指定頻率和速率下待測(cè)試物的TIRS。

表3 YD/T 2193 TRP測(cè)試信道

表4 YD/T 2193 TRP單點(diǎn)測(cè)試信道

表5 CTIA Wi-Fi TRP測(cè)試信道

2.6 總?cè)蜉椛潇`敏度測(cè)試要求

《移動(dòng)用戶終端無線局域網(wǎng)空間射頻輻射功率和接收機(jī)性能測(cè)量方法》[3]中規(guī)定需按照表6所示，測(cè)試指定頻率和速率下待測(cè)物的總?cè)蜉椛潇`敏度；按照表7所示，測(cè)試指定頻率和速率下待測(cè)物的單點(diǎn)接收靈敏度。設(shè)置單點(diǎn)位置，使之與最近頻點(diǎn)總?cè)蜉椛潇`敏度結(jié)果中的最佳接收靈敏度測(cè)量點(diǎn)相同。《Test Plan for RF

表6 YD/T 2193 TIS測(cè)試信道

表7 YD/T 2193 TIS單點(diǎn)測(cè)試信道

表8 CTIA Wi-Fi TIS測(cè)試信道

3 智能家電Wi-Fi射頻性能測(cè)試步驟

3.1 總?cè)蜉椛涔β蕼y(cè)試 TIRP

1）測(cè)試布置

智能家電在OTA暗室中按照自由空間放置，其三維幾何中心應(yīng)與靜區(qū)中心對(duì)齊，所用測(cè)試夾具應(yīng)能固定待測(cè)物。智能家電應(yīng)分別在典型工作狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。若由于OTA暗室環(huán)境限制，智能家電應(yīng)盡可能保持最完備功能狀態(tài)或模擬典型工作狀態(tài)。

2）測(cè)試配置

關(guān)閉智能家電的Wi-Fi搜索模式、省電模式、藍(lán)牙功能、蜂窩模塊。如果智能家電支持ICMP，那么總?cè)蜉椛涔β蕬?yīng)在ICMP模式進(jìn)行測(cè)試，否則在ACK模式下測(cè)試。

3）測(cè)試步驟

智能家電的輻射發(fā)射特性是通過測(cè)量其周圍不同球面位置的輻射功率數(shù)值計(jì)算得出的。通過分析采樣球面上各個(gè)采集點(diǎn)的輻射功率數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算得到家電產(chǎn)品的有效輻射功率，從而獲得智能家電的空間三維輻射功率特性。

設(shè)置測(cè)量儀器的衰減；設(shè)置接收端的衰減；設(shè)置測(cè)量儀器在指定信道、調(diào)制方式、數(shù)據(jù)速率下發(fā)射信號(hào)；智能家電產(chǎn)品與測(cè)量儀器建立連接；測(cè)量儀器以指定的發(fā)包方式向智能家電發(fā)包；智能家電回復(fù)環(huán)回?cái)?shù)據(jù)包；測(cè)量儀器對(duì)返回?cái)?shù)據(jù)包進(jìn)行測(cè)量，得出功率；轉(zhuǎn)換測(cè)量點(diǎn)，重復(fù)測(cè)試流程。

在球坐標(biāo)的Theta軸和Phi軸分別間隔15°取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，在Theta=0°和Theta=180°不用測(cè)試，每個(gè)極化方向共計(jì)測(cè)試264個(gè)點(diǎn)，將每個(gè)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)通過以下公式計(jì)算，便可以得出智能家電的總?cè)蜉椛涔β省?/p>

4）測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果按照如表9格式進(jìn)行記錄，并保存其3D圖形。

表9 TRP記錄表

5）性能改進(jìn)

智能家電在待機(jī)模式下按照1），2），3）步驟測(cè)試TIRP，將測(cè)試結(jié)果與典型工作模式下的TIRP進(jìn)行比較，分析差異產(chǎn)生的原因，減小工作電路對(duì)TIRP的影響。

3.2 總?cè)蜉椛潇`敏度測(cè)試 TIRS

1）測(cè)試布置

智能家電在OTA暗室中按照自由空間放置，其三維幾何中心應(yīng)與靜區(qū)中心對(duì)齊，所用測(cè)試夾具應(yīng)能固定待測(cè)物。智能家電應(yīng)分別在典型工作狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。若由于OTA暗室環(huán)境限制，智能家電應(yīng)盡可能保持最完備功能狀態(tài)或模擬典型工作狀態(tài)。

2）測(cè)試配置

關(guān)閉智能家電的Wi-Fi搜索模式、省電模式、藍(lán)牙功能、蜂窩模塊。總?cè)蜉椛潇`敏度在ACK模式下下測(cè)試。

3）測(cè)試步驟

智能家電的輻射接收性能是測(cè)試其周圍不同球面位置的接收靈敏度數(shù)值得出的。通過分析采樣球面上各個(gè)采集點(diǎn)的接收靈敏度數(shù)據(jù)，計(jì)算其有效接收靈敏度，從而獲得智能家電的空間三維輻射接收特性。

設(shè)置測(cè)量儀器的衰減；設(shè)置接收端的衰減；設(shè)置測(cè)量儀器在指定信道、調(diào)制方式、數(shù)據(jù)速率下發(fā)射信號(hào)；智能家電產(chǎn)品與測(cè)量儀器建立連接；測(cè)量儀器以指定的發(fā)包方式向智能家電發(fā)包；智能家電收到數(shù)據(jù)包后回復(fù)ACK給測(cè)量儀器；測(cè)量儀器計(jì)算誤包率；增加測(cè)量儀器的衰減值，直至增加的衰減值使得誤包率將至90 %以下；轉(zhuǎn)換測(cè)量點(diǎn)，重復(fù)測(cè)試流程。

在球坐標(biāo)的Theta軸和Phi軸分別間隔30 °取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，在Theta= 0 °和Theta=180 °不用測(cè)試，每個(gè)極化方向共計(jì)測(cè)試90個(gè)點(diǎn)，將每個(gè)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)通過以下公式計(jì)算，便可以得出智能家電的總?cè)蜉椛潇`敏度。

4）測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果按照如表10格式進(jìn)行記錄，并保存其3D圖形。

表10 TIS記錄表

5）性能改進(jìn)

智能家電在待機(jī)模式下按照1），2），3）步驟測(cè)試TIRS，將測(cè)試結(jié)果與典型工作模式下的TIRS進(jìn)行比較，分析差異產(chǎn)生的原因，減小工作電路對(duì)TIRS的影響。

4 結(jié)語

目前，智能家電僅將Wi-Fi傳導(dǎo)射頻測(cè)試納入國內(nèi)市場(chǎng)準(zhǔn)入測(cè)試要求，相較于空間射頻測(cè)試方法，傳導(dǎo)射頻測(cè)試更多是評(píng)估無線模塊的性能，并不能反映智能家電在實(shí)際工作中的射頻性能。采用本文提出的在OTA暗室中測(cè)試智能家電Wi-Fi的射頻性能的方法，可以模擬智能家電工作環(huán)境，有效評(píng)估產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、天線位置、內(nèi)部電路輻射對(duì)Wi-Fi射頻性能的影響，根據(jù)其測(cè)試結(jié)果，可以為家電廠商對(duì)產(chǎn)品的改造升級(jí)提供思路并加以驗(yàn)證。隨著更多智能無線通信產(chǎn)品進(jìn)入居家環(huán)境，各設(shè)備間的無線共存干擾將對(duì)智能家電產(chǎn)品的射頻性能提出更高要求，在智能家電產(chǎn)品投入市場(chǎng)前，對(duì)其進(jìn)行空間射頻性能測(cè)試將比以往任何時(shí)候更加重要。