频谱分析仪测量TPMS工作信号测试

长间隔高频瞬时信号广泛应用于无线传感器、无线通讯等领域。由于数字频谱分析仪受扫描时间的制约，在捕获2毫秒以下的瞬时信号时往往遇到很大困难，扫描时间越短的数字频谱分析仪价格越昂贵。工业生产讲求QCE（高品质、低成本、率），如何运用性价比高的频谱分析仪来成功完成这类长间隔高频瞬时信号在生产线上的测试呢？

本文以TPMS工作信号为例，首先介绍此类信号特性；而后从单一的对信号功率、频率分别测试的方法入手，介绍测试仪器的基本设置；zui后介绍生产线上实用的综合测试方案。本文中您可以看到，我们通过具体的实践操作，验证了方法的有效性和可靠性。

1. 关于TPMS

TPMS 即汽车轮胎压力监视系统 “Tire Pressure Monitoring System”，主要用于在汽车行驶时实时的对轮胎气压进行自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全。目前，TPMS 主要分为两种类型，一种是 Wheel-Speed Based TPMS（简称：WSB TPMS，或称为间接式 TPMS ），这种系统是通过汽车 ABS 系统的轮速传感器来比较轮胎之间的转速差别，以达到监视胎压的目的，该类型系统的主要缺点是无法对两个以上轮胎同时缺气的状况和速度超过100公里/小时的情况进行判断。另一种是 Pressure-Sensor Based TPMS（简称：PSB TPMS，或称为直接式 TPMS），直接式TPMS从功能和性能上均优于间接式TPMS。直接式TPMS系统在每一个轮胎里安装压力传感器来直接测量轮胎的气压，并对各轮胎气压进行显示及监视，当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动提出警告。安装在每一个轮胎里的远程轮胎压力监测模块（Remote Tire Pressure Monitoring，由智能传感器SOC、单片机MCU、RF发射芯片、锂亚电池、天线等部分组成） 完成测量后，通过无线电频率调制发射一个瞬时讯号给安装在驾驶台的中央监视器。中央监视器接收RTPM模块发射的信号，将各个轮胎的压力和温度数据显示在屏幕上，监视器随时显示各轮胎气压、温度，驾驶者可以直观地了解各个轮胎的气压状况，当轮胎气压太低、渗漏、太高、或温度太高时，系统就会自动提出警告。

RTPM与中央监视器之间通过RF讯号通讯，此讯号的良莠直接关系到TPMS的安全品质。通过频谱分析仪对此信号进行抓获、测量和分析是在TPMS产品的设计和生产检测中*的。

TPMS的RTPM并非不间断地对轮胎胎压进行检测并向中央监视器发送RF信号，而是有一定的时间间隔。在某些TPMS中，此时间间隔可以人为设定，但zui快的也不低于800ms，一般为2s以上，多为几秒到几十秒。RTPM每次发送的信号持续时间却要短得多，一般在2ms以内，多为微妙级时长。所以TPMS工作讯号的特点是间歇长，发送时间短，同时频率较高。其工作频率北美标准为315MHz，欧洲标准为433.92MHz，韩国为448MHz，另有新标准为868MHz。其发射功率不能超过10dBm，否则要接受无线电管制。工作模式有ASK（幅度键控）、FSK（频移键控），FSK抗干扰较好。

1. 信号的抓获与基本测量

由于目前大多数数字频谱分析仪的扫描时间都大于TPMS工作信号的发送时长，扫描时间快到微秒级的频谱仪价格相当昂贵，所以要用一般的频谱分析仪对此信号进行准确的捕获需要对频谱分析仪进行一些设置，使用操作要有一定的熟练度。下面，我们先用信号发生器模拟一个类似TPMS工作信号的长间隔高频瞬时信号，然后具体介绍如何使用固纬电子生产的3GHz频谱分析仪——GSP830，来捕获、测量此信号，辅助使用的数字示波器是固纬电子生产的200MHz带宽的GDS2202。

2.1 待测的长间隔高频瞬时信号

用信号发生器产生一个FSK信号，调制脉冲信号的周期设为2s，占空比为0.1%（即瞬时信号持续2ms），载波信号频率设为2MHz的正弦。在示波器上可以看到信号的时域波形如图所示。以上三个图是在不同大小的时基下观察到的信号波形。从图中我们不难理解这种类似TPMS工作信号的长间隔、高频率、瞬时特性。类似这样的信号，在无线传感器、无线RFID等许多领域都很常见。

2.2 信号捕获和测量

将此信号送进频谱分析仪，按下“Autoset”键，我们发现信号很难捕获；打开峰值保持，也看不到信号捕获留下的波形。由于此信号难于捕获，一次性较地测得其频率和功率有较大困难。这里我们先分别测量功率和频率，从而较准确地获得信号的参数，随后在第三部分着重介绍产线上实用的通过测试方案。

2.2.1 频率测量

测量信号的频率时，我们可以打开峰值保持，将中心频率设在2MHz。频率跨度的选择需要考虑与RBW的搭配，如果SPAN和RBW相差很大，则由于捕获困难，测得频率所需时间会非常长；如果SPAN和RBW相差很小，则容易造成频率测量不准确。我们可以选择30kHz的RBW和1MHz的SPAN。在这种情况下，频谱仪不能保证对每一个瞬时信号都成功捕获，所以我们在频谱仪上看到的频谱变化间隔往往大于2s。这是由于SPAN大于RBW的时候，如果信号进入频谱仪时频谱仪的即时扫描的频率偏离了信号真实频率，则这一次的信号将无法被捕获。但经过稍长的一段时间（取决于SPAN和RBW之差）之后，我们依然能在峰值保持的模式下观察到信号累积的频谱情况，根据这一图象我们可以轻易地通过搜索峰值读出信号频谱中心点的频率，度可以达到kHz的级别。如下图，测得信号频率为2.0MHz。

2.2.2 功率测量

如果我们测量此信号的重点在于地了解其功率，并且希望尽可能多地捕获到每一个送入频谱仪的信号，我们可以重新调整SPAN和RBW，使它们相等，或SPAN略小于RBW，如将SPAN设为200kHz，RBW设为300kHz。此时，因为RBW的频宽覆盖了整个扫描范围，所以在此范围内的每一个进入频谱仪的信号都能被捕获。通过MARK的峰值检测，其功率也能方便、准确地读出，如下左图，其功率读值为-8.1dBm。

经过多次捕获我们不难发现，每次捕获的功率相差非常的小，这也说明此方法测得的功率值具有较高的可靠性。

1. 生产线上的通过测试

3.1 单一参数的通过测试

通过测试，首要的要求是每一次信号都要被捕获（即需要RBW大于等于SPAN）。如果产线对频率的准确度要求在几十千赫兹的范围内，而对功率要求较高，如零点几dBm，则可设置对于信号功率要求的通过测试。

我们可以在频谱仪上设置Pass/Fail的功率限制线（Limit Line），如上图，使得功率满足限制范围的信号（产品）通过。这一应用只需在2.2.2的设置基础上进入Limit Line菜单进行率Pass/Fail功能设置即可。固纬GSP830的Limit Line菜单的设置灵活方便，可以方便地编辑用户需要设定的功率上限和下限。限制线通过表格形式编辑线上的各点，各点连成的限制曲线可以满足用户在不同频率点有不同功率标准的需要，而非简单的直线。通过简单几个键的设置，GSP830即能帮助用户将符合要求的信号判定为Pass，而所有不符合要求的信号都将被准确无误地判定为Fail。下图是通过测试中频谱仪显示的画面。

由于2.2.2的设置测得的频率并不十分准确，所以对于信号频率的通过测试则不能用上述方法。如果对功率的显示没有要求，则可以利用触发的功能来检测信号频率。在频谱仪的触发菜单中，设置触发频率和触发电平（功率），满足频率和功率条件的信号才能够被触发。每次触发频谱仪都会重新扫描一次，人眼可以观察到屏幕的闪动（但由于触发延时，无法在屏幕上看到捕获的信号图像），没有触发的时候屏幕图像固定不动。这样我们就可以根据触发的情况来判断产品的品质。

3.2 综合测试方法

一般产线对信号的频率和功率同时都有较严格的要求，分别进行功率、频率通过测试的方法在实际运用中还是稍显繁琐，这里特别推荐另外一种综合测试的方法，其特点是首先将SPAN设置为零频跨。

我们将捕获的信号的持续时间设为500微妙，频率设为3MHz的信号，功率1dBm，发送间隔为1s。然后利用信号发生器将信号的频率在3MHz附近调整。由于中心频率3MHz，零频跨的频谱仪扫描的范围只在3MHz这一点上，根据滤波器的特性，有微小频率偏移的信号捕获后的功率会被衰减。分别将信号的频率以3MHz为中心左右调偏50kHz、100kHz、200kHz和500kHz，信号衰减后的功率幅度如下图中所示。

据此，产线上的通过测试可以按照上图中的设置，将标准理想信号的频率设为中心频率，将SPAN设为零频跨，而后根据需要设置功率限制线（Limit Line）。这样，频率不够准确的信号在捕获后的功率会下降到下限制线以下，将会被判定为Fail，同时，如果信号本身的功率不够准确，在上下限制线之外的，也会被判定为Fail。如果需要更准确的频率判定精度，可以选取小一些的RBW。如下图，30kHz的RBW可以非常明显的区分正负5kHz的频率误差。

这种零SPAN的通过测试设置方法*有可能疏漏的信号是功率偏大，同时又有频偏的信号。其频偏造成的捕获衰减若刚好将其功率过大的部分衰减到标准功率范围，则会被测试判为Pass，从而造成我们不期望的误判。如果我们能先用之前所述的单纯测试功率的方法判断信号的功率，再用零频跨的方法判断其频率。这样就能将所有在功率或频率上不符合标准的信号全部被判为Fail，使通过测试而准确。

然而，可能出您意料的是，我们并不需要在产线上用两台频谱仪先后做测试，固纬GSP830频谱分析仪为用户提供了一套简便实用的自动测量系统（SEQ）。只需从前面板设置好测量顺序设定，再经过一键操作，仪器会方便地单次或连续运行不同的测量设定，亦或由用户指令一步步地运行整个测量步骤。.

上图即是固纬GSP830频谱分析仪自动测量系统（SEQ）菜单下的编辑界面。在界面下方的编辑框中，我们可以一步步地设定频谱仪测量的具体步骤以及每一步的参数设置，并通过延迟时间的设置设定每一步测量的等待时间。由于我们本例需要做的是产线上的通过测试，所以我们在进行SEQ测量之前首先要将设置好的Limit Line打开。如上图所示，编辑好SEQ的测试程序后，点击执行按钮，选择重复测试并现在执行，频谱仪就开始运行自动测量了，我们就可以看到下面的画面。

屏幕zui下方提示栏里的“SEQ”图标告诉我们，测试正在运行，我们可以通过右侧的功能键停止自动测试的执行。屏幕正下方的“PASS”或“FAIL”告诉我们每一次测试的结果。

1. 结语

在TPMS的测试中，信号的频率比本文的范例高，但实际的测量方法没有区别。测量的功率精度可以达到0.1dBm，频率精度可以达到1kHz。在几百兆赫兹频率的信号测量中kHz级别的精度一般能满足绝大多数测量需要。

在工业生产和日常生活当中，类似TPMS工作信号的长间隔高频瞬时信号很常见，应用也非常广泛。就如何利用射频工程师手边常见的频谱分析仪对此类信号进行准确可靠的测量，如何在产线上能低成本率地完成相关产品此类信号的品质检测，本文从参数测量、单一量测试、直至综合测试，给出了一系列操作的参考方法。所涉及的大都是诸如RBW、SPAN等常用设置，较为实用也较易操作。另外，此实验中使用的固纬电子生产的3GHz频谱分析仪GSP830凭借其*的“SEQ”（自动测量）功能以及方便灵活的“Limit Line”（通过测试）功能，使我们可以通过前面板的按键定义自己的宏，并把它们保存下来，使频谱仪按程序执行准确的自动测量，完成了两台频谱仪的工作。这一系列功能和方法运用在产线上，能极大地提率、降低成本。