空间射频仿真技术在物联网终端上的研究及应用_王平松.pdf

2023.02ELECTRONICS QUALITY空间射频仿真技术在物联网终端上的研究及应用王平松，邓波，王科（四川长虹电子控股集团有限公司，四川 绵阳621000）摘 要：无线传输技术在物联网终端上应用广泛，其空间辐射性能的优劣直接影响终端的使用功能，因而空间辐射性能的测试越来越受到相关厂商的重视，业内也在持续对这一测试技术进行研究。介绍了一种空间射频仿真技术的实施方法，该技术可用于对无线终端产品空间辐射性能进行仿真测试及评估，能真实地反映终端无线收、发性能。重点讲解了技术的原理，并结合实际应用案例，直观地显示出了该技术对于产品性能的提升及设计的帮助。关键词：空间射频仿真；物联网终端；总辐射功率；总全向接收灵敏度；技术原理中国分类号：TP 391.99文献标识码：A文章编号：1003-0107（2023）02-0037-07doi:10.3969/j.issn.1003-0107.2023.02.008Research and Application of Space Radio Frequency SimulationTechnology in Internet of Things TerminalWANG Pingsong，DENG Bo，WANG Ke（Sichuan Changhong Electronic Holding Group Co.，Ltd.，Mianyang 621000，China）Abstract：Wireless transmission technology is widely used in the Internet of Things terminals，and its space radiationperformance directly affects the use function of terminals.Therefore，the test of space radiation performance is in-creasingly valued by relevant manufacturers，and the industry also continues to research this test technology.An im-plementation method of space RF simulation technology is introduced.The technology can be used to simulate and e-valuate the space radiation performance of wireless terminal products，and can truly reflect the wireless receiving andtransmitting performance of terminals.The principle of the technology is mainly explained.And combined with practicalapplication cases，it intuitively shows the help of the technology to the improvement of product performance and de-sign.Keywords：space radio frequency simulation；IoT terminal；total radiated power；total isotropic sensitivity；technicalprinciple收稿日期：2022-12-15修回日期：2023-01-09作者简介：王平松（1969），男，四川绵阳人，四川长虹电子控股集团有限公司高级工程师，从事物联网产品的检测、认证及相关技术研究工作。通讯作者：邓波（1974），男，四川绵阳人，四川长虹电子控股集团有限公司高级工程师，从事物联网产品的检测、认证及相关技术研究工作。0引言空间射频仿真是在一个屏蔽的无反射微波暗室内，采用转台的方式，对产品三维空间的发射及接收数据进行采集，最终形成产品空间辐射性能的仿真模型图，客观显示产品在三维空间各个方向上的辐射性能缺陷。现有的物联网络中，辐射性能的优劣直接影响终端是否能正常有效地工作，若终端空间辐射性能不好，将导致视频卡顿、语言质量下降和网络掉线等问题。而影响终端辐射性的因素很多1-3，例如：无线模块的发射及接收能力、天线Simulation Analysis仿真分析37ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY效率及匹配程度、产品设计布局、各种板件和金属件遮挡等，所以设计者首先要确定终端在实际网络的工作性能，对其射频性能全面准确地了解，才能有针对性地进行改进。目前，空间辐射性能最具代表性的指标是总辐射功率4-5（TRP：Total Radiated Power，主要反映终端发射功率的情况）、总全向接收灵敏度（TIS：Total Isotropic Sensitivity，主要反映终端接收灵敏度的情况）和天线方向图。手机、平板和笔记本等是无线技术应用得较早、尺寸较小的智能终端，其评估空间辐射性能的方法已较为成熟，行业中也有与之相应的测试标准或规范，许多国家已有相关强制性要求。而对于平板电视、空调和冰箱等大型家电类终端产品，行业中还未有相应的标准、要求及评价方法。同时，随着产品向智能化方向发展，几乎所有的家电产品都带有无线通信模块，对无线传输的稳定性、传输的数据量等要求越来越高，产品空间辐射性能越来越受到行业内相关厂商的重视。1技术原理在特定的静 区环境（仿 真 自 由 空 间 环 境）中6-7，终端发送无线信号与环境外的综测仪通信，转台从而对终端进行空间的三维测量，分别采集球面上各测量点的有效辐射功率及接收灵敏度，如图1所示。通过分析此球形测量数据可以计算得到TPR和TIS，然后通过数据建模形成终端的空间三维辐射性能图，直观地显示终端各个方向的空间辐射性能。1.1 坐标系统定义基于球形模式的空间射频仿真方法，定义了两种主要的定位系统：分布轴系统（distributed-axis）和组合轴系统（combined-axis）。分布轴系统的测量天线围绕受试设备（EUT：EquipmentUnder Test）和轴定位器旋转，组合轴系统是在轴定位器基础上加装轴定位器，EUT可以同时绕和轴旋转。进行空间离散点采集时，假定EUT在水平面沿Z轴转动，转动的初始方向为+X轴方向。定义测量点与Z轴的夹角为，EUT转动的角度为，如图2所示。轴定义为沿Z轴方向，也就是假定EUT固定在旋转轴上。所以当轴转动时，轴相对于EUT的变化如图3所示。图1三维球形示意图图3球面坐标系统轴测量点轴图2球面坐标系统+Z-X+Y-Y+X-Z+Z-X+Y-Y+X-Z轴轴382023.02ELECTRONICS QUALITY定义了球形坐标系统后，需要定义每个测量点总场需要的两个极化方向。而极化方向是根据 两个旋转轴来命名的。极化为轴旋转时的运动方向，极化为轴旋转时的运动方向，如图4所示。在进行数据采集时，EUT的支撑物（转台或平台）在其正下方（-Z轴方向），导至=180的测量点不能进行测量，所以对于EUT测量的球形区域并未覆盖|165的区域（基于15的步长），如图5所示。蓝色区域为EUT空间三维球面的数据采集区域。1.2 总辐射功率测量将终端水平面转动的夹角定义为（转台转动角度），测量点与轴的夹角定义为（测量天线转动角度）。使产品处于最大发射功率状态，在球坐标轴的轴和轴分别间隔15进行一次功率的采集，其中=0和=180不需要采集，共需采集264个点，CTIA测量规范8中TPR计算公式如下：TRP=2NMN-1i=1M-1j=0E1rp（i，j）+E1rp（i，j）sini（1）式（1）中：N轴的采样点数；M轴的采样点数；TRP测量时N=11，M=24。1.3 总全向接收灵敏度测量综测仪向被测终端发送测试数据包，并根据被测终端反馈信息同步分析和记录所传数据误码率（BER）。这个过程中逐渐地降低信号发射功率，直到产品接收的误码率刚达到要求（8%或10%），记录此时综测仪的发射功率，即为产品该测量点的接收灵敏度。在球坐标轴的轴和轴分别间隔30进行一次测量，其中=0和=180不需要测试，所以共需测试60个点。CTIA测量规范8中总全向接收TIS计算公式如下：TIS=2NMN-1i=1M-1j=01EIS（i，j）+1EIS（i，j）sini（2）式（2）中：N轴的采样点数；M轴的采样点数。TIS测量时N=5，M=12。2空间射频仿真技术应用2.1 系统选择及环境布置采用空间射频仿真技术对一款电视机产品进行了试验，本次选择在一个无电磁干扰的全电波暗室进行试验，尽量地降低了静区中的反射电平，防止了测试区域内反射过多的辐射能量或者吸收过多辐射能量。本次试验方法采用圆锥切法，选择分布轴系统，测量天线围绕EUT和轴定位器旋转，如图6-7所示。图4测量天线极化图5三维球面测量区域+Z-X+Y-Y+X-Z轴轴极化极化测量点+Z-X+Y-Y+X-Z轴轴极化不能测量区域=165Simulation Analysis仿真分析39ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY2.2 三维球面各点数据采集及计算试验时，将EUT几何中心与系统静区中心点（三维球面中心）重合。摆放位置如图8所示，EUT正面与X轴正方向一致，EUT右侧面与Y轴正方向一致，EUT顶面与Z轴正方向一致。当=60时，分别测量该球形切面上的所有点的辐射功率，此时角的范围为0360。测量发射时，测量步长通常为15，共需测量24个点，如图9-10所示。选 择802.11N模 式，工 作 信 道 为6信 道（2 437 MHz），分别对上述的24个测量点的辐射功率进行测量。每个点的和两个极化方向都需进行测量。测量完成后，通过和的值计算得出测量点的Total值，方法如下：根据dBW与W的计算公式计算出测量点两个极化对应的功率值P和iP（单位为W）：dBW=10logW（3）根据下列公式计算出该测量点的辐射总功率PTotal（单位为W）：Ptotal=P+P（4）根据dBW与W换算公式将PTotal换算为TTotal（单图8 EUT定位示意图图6分布轴系统示意图图7系统实物图图10球面测量点2图9球面测量点1轴屏幕中心作为测量参考中心+Z+X+Y顶面正面左侧面右侧面+Z+Y030测量点6090120150180=60270300330测量点+Y03060+X90120150180210240402023.02ELECTRONICS QUALITY位：dBW）。EUT三维空间球面上，=60的测量数据如表1所示。从数据中可以看出：=60的圆锥球面上，EUT最大和最小发射功率分别为12.96、-2.57 dBW，二者相差15.53 dB。为了便于观察我们将Total值相对于角度的变化生成曲线图，如图11所示。分别对为0、15、30、45、75、90、105、120、135、150、165的球星切面上的测量点进行测量，测量方法同上，测量结果形成二维曲线如图12-13所示，为60时的测量数据如表1所示。表1为60的测量数据极化/dBWTotal04.87-5.305.2615-1.30-9.90-0.7430-11.67-3.14-2.5745-5.78-3.14-1.2660-1.154.445.497510.19-4.4610.33905.700.716.8910510.28-1.9510.531205.008.159.861355.157.369.401506.1710.2211.661654.989.3310.6818010.093.4410.9419512.951.7313.262108.791.099.472257.26-5.637.472409.71-3.529.912559.835.7511.2627010.499.2912.942858.4010.7812.763004.7410.8911.83315-7.5610.2910.363301.409.4810.103456.135.929.03图11辐射功率变化曲线图图13极化图12极化9027030033003060120150180210240-404812161890603003303002702402101801501209060300330300270240210180150120Simulation Analysis仿真分析41ELECTRONICSQUALITYELECTRONICS QUALITY根据公式（1）及测量值计算出EUT的总辐射功率（TRP）为10.84 dBm。2.3 三维数据模型图生成根据各点及极化的测量值计算出各点的EIRPTotal，并依据EIRPTotal绘制出全向三维图形，如图14所示。为了方便观察，分别从EUT顶测、正前方、后方、左测和右侧5个视角观察了EUT，其空间辐射性能及对应实物图如图15-19所示。试验分析：1）EUT的11n模式在6信道的总辐射功率为10.84 dBm，低于同类Wi-Fi产品，仍有较大的提升空间；2）EUT正面左上区域的空间辐射性能较差，若AP发射的无线信号来自该方向，则极易出现网络掉线、播放视频卡顿和连接失败等情况；3）EUT正面右侧区域的空间辐射性能最优，该方向面向AP能让EUT使用效果达到最佳；4)EUT总极化EIRP最大值和最小值发射功率分别为16.37、-2.57 dBm，二者相差18.94 dB，在相同穿透物的情况下，有效通信距离相差近10 m。图17 EUT后方视角（=90，=270）图14辐射性能三维图图15 EUT顶侧视角（=0，=0）图16 EUT正前方视角（=90，=0）图18 EUT右侧视角（=90，=180）图19 EUT左侧视角（=90，=270）422023.02ELECTRONICS QUALITY3结束语空间辐射性能最能真实体现终端无线传输能力，通过对空间离散点数据采集分析，形成产品收、发性能的三维图形，能将“看不见”的电磁信号形象地展示出来。空间射频仿真技术可应用于产品网络连接能力的评估，能直观地展示终端设计缺陷，验证结构设计对产品辐射和接收性能的影响。随着无线终端产品的日渐增多，产品辐射性能将愈发地受到各厂商的重视，空间射频仿真技术的应用将会越来越广。参考文献：1任德彬.无线局域网WiFi抗干扰策略的研究D.西安：西安电子科技大学，2021.2熊洋洋，史信荣，柯进，等.模拟无线通讯在线抗干扰测试方案研究J.安全与电磁兼容，2021（2）：55-58.3尹林佳.WLAN无线局域网在干扰环境下性能分析及研究D.北京：北京邮电大学，2010.4韩烽.天线辐射性能的统计分析方法J.中国新通信，2020，22（17）：18-20.5张然，章锦文，何骁.天线辐射性能并行测试场研究J.计算机仿真，2016，33（12）：185-188；461.6师建龙，全厚德，甘连仓，等.微波暗室静区反射电平计算方法研究J.舰船电子工程，2010，30（10）：92-94.7郑星，樊友谊，焦斌，等.射频仿真暗室静区性能测量与优化J.电讯技术，2010，50（7）：140-144.8 CTIA.Test plan for wireless device over-the-air perfor-mance version 3.8.2 S.Simulation AnalysisAI新工具解决全新任务表现媲美人类 为开发通用人工智能铺平道路!信息与动态一般而言，人工智能（AI）需要进行特定训练才能胜任某项任务。据报道，英国“深度思维”公司开发出一款新型AI工具AdA，其能像人类一样快速准确地解决全新任务，最新研究或是科学家朝着最终开发出通用AI迈出的重要一步。相关研究近日刊发于论文预印本网站。人类擅长在不同环境，包括全新环境中解决新问题，但AI系统往往只能解决被训练要解决的特定问题，当游戏规则改变时，它们可能会陷入困境。“深度思维”在开发下棋游戏AI方面取得的成功很大程度上源于强化学习，这种方式能让AI学着如何在环境中拿到高分，表现出优秀的成绩。但即便如此，AI也必须再次接受训练，才能玩不同的游戏。为克服这一限制，该公司一直在开发一种可在全新游戏中取得成功的AI。2021年，公司发布了新AI模型XLand，其可解决虚拟3D世界中的新任务。该虚拟环境包含70多万个游戏，这些游戏都是自动生成的，且只存在于虚拟世界中。在最新研究中，“深度思维”团队通过在一组难度缓慢增加的数十亿个任务上训练不同版本的XLand，开发出了AdA工具。当“深度思维”团队在30个全新的定制任务上测试ADA时，其解决问题的表现和速度可与100名人类参与者相媲美，且能解决一些人们无法完成的任务。在规模更大、自动化程度更高的1 000项任务中，它可解决90%的任务。此外，该系统还可控制多个代理，让其相互协调合作。研究团队指出，能在不断变化的环境中解决任务的AI，有望在人形机器人、自动驾驶汽车等多个领域大显身手。（摘自科技日报）仿真分析43