专家系列:LoRa®测试设备[如何]

Sebastien Lebreton是Semtech的首席应用工程师，8年来一直在构建和测试具有LoRa®芯片的设备。作为该领域的专家，他自2001年以来一直从事无线技术工作，并经常被邀请教授整个LoRa开发生态系统的工程师如何在这个领域取得成功。

多年来，我已经在研讨会、研讨会和与客户的非正式会议上解释了如何使用LoRa®芯片组测试设备十几次或更多。为了行业的利益而撰写和发布这些建议的必要性已经变得非常明显。所以，坐下来，享受一杯咖啡，继续阅读。

通常，人们会来Semtech看我们电子制造服务(EMS)公司，并询问“我需要做什么来测试我的设备?”测试工程师经常关心进行这种测试的难度。最后，这些都是射频设备，测试本质上比有线产品更复杂。

然而，随着全球系统集成商和工业公司对该技术的采用得到证实(188bet金博宝滚球//www.csimin.com/lora/ecosystem)，许多合同制造商(CMs)已经开始思考，他们如何才能确保从装配线上出来的大批量产品经过了充分的测试。

放心吧，其实没那么复杂。

毕竟，这是一个无线设备

与许多其他设备一样，LoRa物理层(PHY)是一种低成本的收发设备。如果我们看看一个典型的连接设备是什么样子的(关注射频部分)，情况并不那么复杂。请看图1:

图1:SX1262收发器参考设计

你通常看到的是以下组件:

• 一个电源
• 去耦电容
• 无线收发设备(简称收发机或TRX)
• 低值离散匹配元件，如pF电容器和nH电感
• 也许是天线开关
• 一次参考
• 温度控制晶体振荡器(TCXO)或晶体(XTAL)
• 天线

唷!”它毕竟不是那么轻，”你会和我争论的!”听起来你说的是30个部件。你认为我的客户真的有足够的测试时间来检查所有这些吗?”

尽管组件列表可能看起来很吓人，但只需少量测试就可以获得良好的测试覆盖率。请放心，它不会那么昂贵或耗时。

知道你在的目标为

这里的技巧是真正理解测试的目标，而不是过度设计测试解决方案。你真正想要达到的目标是什么?可以这样想:Semtech交付经过测试并符合适当设备规范的设备。对于驱动LoRa芯片的附带微控制器单元(MCU)也是如此。同样，您的计时供应商应该向您出售数卷测试晶体(xtal)或t温度补偿晶体振荡器(TCXOs)，并且同样适用于板上的所有组件。所以，你真的试图找出在PC板制造和组装过程中可能出现的问题。以下是一些可能性:

• 可能有一个或多个焊接过程的问题，一些电容器，电感器或有源器件被放错位置或不正确地焊接到其衬垫上。
• 可能在处理/储存/选择各种部件的卷筒时出了差错。这导致了100nF电容焊接代替了天线匹配所需的超临界1.8pF。
• 也许装配厂使用了错误的卷轴，或者XTAL出现了某种错误，现在您的频率参考是26MHz而不是指定的32MHz。
• 线路上的一个组件可能有接地缺陷，导致活动部件上的潜在静电放电(ESD)，而电气过度应力(EOS)导致额外的泄漏电流，甚至导致这个敏感射频设备的故障。(例如，通常情况下，高性能低噪声放大器(LNAs)的输入更容易受到ESD的影响。)
• 有可能是供应商提供的库存指导，以及对特定湿度敏感级别(MSL)的遵守没有得到尊重，导致一些芯片在高温回流焊时物理损坏。

许多其他与生产相关的问题也可能突然出现。也许你对可能出错的地方有自己的想法。

很快就会发现，在生产测试中，我们并不是在试图描述设备的特性，并确保每个组件都是正确的，位置也很好。相反，我们需要考虑采用最小的简单测试集，使用测试台上可用的最小设备集，并最大化该特定设备的测试覆盖率。它可能看起来令人印象深刻和复杂，但总而言之，许多与组装相关的问题可以快速捕获，成本很低。

一般来说，以下是你应该测试的项目:

表1:待测试组件

食谱简单，效果好

让我们先把那些显而易见的测试抛开。时基，开关，SPI和IRQ线的焊接，射频无源Tx，射频无源Rx和天线。

例如，无论测试控制器是如何构建的，您都需要验证它可以通过其SPI接口与LoRa IC交互。通过这个简单的测试，您可以假设芯片运行良好，具有正确的寄存器写/读回，甚至可以进行硬件版本检查。为了更加谨慎，您可以继续并与测试层上的常驻单元交换几个包(乒乓样式)，以给定通道上的特定格式响应任何请求。这样，你可以确保你可能在你的应用程序固件中使用的其他IRQ线(如前段检测，同步字检测)，确实很好地焊接到配套的主机MCU。因为它是免费的，在与适当的设备交换了几个包之后，您甚至可以假定您的时间参考是很好的焊接，可能相当接近32MHz。

在测试结束时，将对以下组件进行验证:

仍然有相当数量的测试板，如所有匹配的组件在Tx和Rx的组装。让我们先关注Tx。这里的想法是在感兴趣的射频频率上同时监视进气门功率(来自电源的引脚)和输出功率(来自功率放大器的撅嘴)，并确保两者都是合理的。要百分之百地确定所有单独的电容器和电感都是正确和正确的组装是很困难的。然而，通过监测电源电流和输出功率(引脚，Pout)，如果有装配问题，这些值将明显偏离。这同样适用于芯片周围的去耦盖，特别是2.2 nF - 47 nF，这通常用于“VR_PA”网络。当这些电容器丢失或有不适当的值时，PA稳压器(其输出是VR_PA上的直流电压)通常不稳定。这就产生了波纹，因此，在载波周围产生了假发射，以及基本功率的下降。所有这些问题都可以通过对整个系统效率的估计得到。

此外，如果在板上使用的拓扑使用射频开关来分离Rx和Tx路径，您还需要验证:

1. Tx路径上的交换机正常
2. 它的控制线(来自主机或LoRa IC本身)被正确焊接和控制。

最后，这个简单的测试也验证了SX126x和LR111x芯片上的buck转换器的电感在适用的情况下是良好的。没有它，或与不适当的组件焊接在这里，Tx不会是功能，或功率摄入将高于预期。

现在组件验证:

频率参考准确吗?

当设备采用TCXO或任何有源振荡器时，频率参考的准确性由供应商保证。因此，只要确认收发器能够收发报文就足够了。在更常见的使用XTAL的情况下，它有点棘手，因为振荡器的一半在芯片内(具有负电阻的反应元件)，另一半(压电谐振器)在芯片外。在上面，XTAL的谐振频率是由它的负载电容调节的，负载电容可能在IC内部或外部。

有许多技术可以精确测量参考振荡器的频率。下面是一些从最贵到最便宜的选项:

• 长凳上配有频谱分析仪。在这种情况下，要求发射机在915MHz处产生一个连续波音，并使用SA测量产生的载波是很简单的，通常跨度为100kHz，分辨率带宽(RBW)为1kHz。考虑到1kHz大约是1ppm，测量的精度将是1ppm左右，对于使用LoRa的通信来说绰绰有余。
• 长凳上有一个频率计数器。在一些Semtech平台上，如SX127x系列，参考振荡器的缓冲版本可以在名为CLKOUT的引脚上使用，其频率被2,4,8,16或32(寄存器可选)除除。频率计数器将提供参考频率的精确测量，精度低于ppm。注意:不可能将探头连接到XTA或XTB网上XTAL和RF IC之间的潜在测试点;它将向XOSC加载几个皮法拉(pF)。这些类型的xtal通常有10ppm/pF的拉伸力，而加载它们的1ppm将极大地偏差结果!
• 没有可用的测试设备，只有一个用于包交换和功率/RSSI估计的配套“黄金单元”可用。ThE在这种情况下的建议是依靠多重数据包与黄金设备交换，其参考频率应该非常准确(通常使用0.5ppm TCXO)。但是，您不应该使用LoRa调制进行这种数据传输，因为LoRa对频率错误非常宽容，可以处理高达25%的编程带宽的错误。也就是说，对于LoRa 125kHz的通信，可接受的偏移量高达+/-31kHz!在这种情况下，考虑使用以下方法之一:
  • 如果最小工作带宽相当高(例如，使用开放LoRaWAN®协议时，125kHz)，然后用LoRa BW = 31.25kHz的黄金单位运行一个会话。如果这可行，这意味着在测试温度(25°C)下的频率精度优于+/-8kHz(程序带宽的四分之一)。这意味着，超过温度和老化后的XTAL，频率将永远不会低于+/- 30kHz。
  • 如果最小操作带宽可以很低，阻止以目标带宽的四分之一(即LoRa BW = 31kHz以下的任何值)运行交换，那么极有可能该设备也将使用TCXO(频率精度要求将使它难以使用廉价的XTAL)。如果没有，你可以在非常低的带宽(几千赫)下运行FSK乒乓球测试，禁用AFC，并将Fdev设置为+/-4kHz。有了这个调制索引，只有当误差小于2kHz(编程Fdev的一半)时，接收器才会捕获数据包。在这种情况下，室温下的初始精度将被确认为大约2ppm。

现在组件验证:

理解接收质量bet188软件下载

在TX测试期间，与测试层上的一个单元(被认为是Golden)进行乒乓交换，验证了LoRa TX工作正常。事实上，所有Semtech产品都经过单独测试，以确保芯片内部的LoRa调制器和解调器是正确的。然而，使用LoRa接收器来检查Rx链的装配是非常有用的。查看Rx路径(图2)，从天线到SPI接口，你可以发现:天线，_______天线匹配_______开关(如果使用)，_______更多的Rx匹配_______ balun(如果LNA输入是差分的)_______ Semtech接收器，包括LNA，混合器和ADC，然后是所有的基带部分，如decimator，信道滤波器，解调器，包引擎等。我们的目标是检查从天线到集成LNA输入的每个部分。

图2:Rx路径

接收器的bet188软件下载质量由以下标准来检验:

1. 它的灵敏度即它能够接收极低水平的信号
2. 它的线性，对于与带外干扰共存很重要，和
3. 它的阻断免疫，即接收器在敌对射频环境下工作的能力

放置在天线和LNA输入之间的所有组件都会影响灵敏度、线性度和抗干扰性。然而，在生产测试中，测试这些参数是没有价值的(而且在经济上是不可行的)。这样做需要发生在描述阶段，在少量的原型或前期系列。幸运的是，可以通过估计接收机的增益和噪声图(NF)来进行置信度检查．这两个参数将有助于验证Rx是否正常，这意味着它将是敏感的、线性的，并且对干扰器具有免疫能力。

最基本和最快的测试是评估带内RSSI。所有Semtech LoRa芯片都支持瞬时RSSI的读取，因此测试非常简单，只需将设备设置为Rx模式，在通道中向天线注入已知的受控射频信号水平，并验证RSSI读数在目标的合理范围内(+/-3dB，取决于信号耦合方法)。运行这个快速而简单的测试验证接收器的增益是否正确;也就是说，芯片内的LNA状态良好(例如，射频输入在组装时没有被EOS损坏)，并且天线和芯片之间的所有匹配/balun/switch元素都是正确的。对于这样一个基本的测试来说，这是一个巨大的成就，不需要外部设备，并且只需要几毫秒就可以轮询接收器返回的RSSI值。

现在组件验证:

剩下要测试的是接收器的噪声图。NF限定了低噪声放大器(LNA)在不降低信噪比(SNR)的情况下放大所需信号的能力。如果LNA不匹配，则会导致NF降级。然而，当测量接收机增益时，一个较小的LNA不匹配可能不可见。测量NF的技术稍微复杂一些，当然超出了本文的范围。事实上，在集成接收器的存在下，它们变得更加困难，在那里LNA的输出不能用于测试。这其实并不重要，因为这些方法也将更加耗时，因此不能很好地适应工业单元测试，而工业单元测试本质上必须快速。

使用LoRa解调器

这就是我们的LoRa解调器变得非常方便的地方。在我们之前使用的RSSI之上，LoRa解调器也可以在接收到适当的LoRa包时估计信噪比。该方法是将一个已知电平的信号耦合到天线上，在信道上发送十几个有效数据包，然后给出所观察到的RSSI/SNR的平均值。

因为LoRa调制工作在接收器的噪声下限以下，所以您应该在信号水平所在的区域运行此测试远远低于噪音下限，该区域的信噪比指标相当线性，可以信任。一个好的做法是在SF9或SF10运行这个测试，在这些地方数据包仍然很短(导致测试时间较短)，但信噪比可以低到-10dB。设置发送信息包的驻留Tx板，将相当低的信号耦合到Rx天线，以便在黄金样本上SNR指示器返回-10dB。这可能需要使用衰减器，因为SF10的灵敏度约为-130dBm。一种技术是用50欧姆耗散负载替换Tx的天线。在测试期间，最好监视接收包的RSSI(理想情况下，工作在rf屏蔽的环境中，如法拉第笼)。监视RSSI的目的是确保您真正测量的是接收器的热噪声下限(我们试图估计的NF的结果)，而不是可能出现在通道中的潜在干扰(例如，如果在测试下限上同时测试许多其他设备)。

因为这种测量是敏感的，我还建议对每批做一个QA采样，并用校准的测试和测量(T&M)设备测量一对设备的灵敏度。这将使你在估计噪音数字时更有信心和更精确。

现在组件验证:

大多数T&M设备制造商已经将LoRa功能添加到他们的产品组合中。例如罗德与施瓦茨，LitePoint，本公司,Keysight提出LoRa个性为他们提供任意波形信号发生器。

总之

使用非常简单的工具和良好的方法，在使用LoRa ic的设备上运行生产测试可以非常快速和经济有效。测试线束可以像安装在测试地板上的黄金参考一样简单，具有已知和可信的射频特性，如输出功率水平、良好的定位器和具有高质量分布式衰减器的法拉第笼，以便能够注入适当水平的信号。bet188软件下载

使用简单的工具和这个简单的指导，您可以在不花费大量时间和金钱的情况下找到许多问题。

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