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1、是德科技 IoT 挑战与应用并存应用指南IoT 设备设计人员和研发人员面临越来越大的挑战，这些挑战 来自元件、电路和系统层级。现有的工具和解决方案有哪些？ 哪些测试考量可以帮助节省时间和降低成本？02 | Keysight | IoT能力与挑战并存 应用指南目录1. 引言 . 32. IoT 的挑战 . 4a) 电路和元件的更高度集成 . 4b) 能源效率和电池寿命 . 5c) 信号完整性（SI）和电源完整性（PI） . 6d) 无线技术和多标准设备的异构混合 . 6e) 干扰、合规性和一致性 . 73. 解决方案和测试考量软件和硬件 . 8(i) 设计和仿真（a-e） . 8(ii) 电池电
2、流消耗分析 (b) .10(iii) 信号完整性和电源完整性工具 (c) .12(iv) 无线测试解决方案 (d) .15(v) 实时频谱分析（d、e） .17(vi) EMI /EMC（e） .184. 结论 .195. 参考资料 .19物联网（IoT）1的爆炸式增长如同一场即将来临的风暴。据估计，将有超过 300 亿个“物” 或智能物件面世， 这些 IoT 的构建模块将无处不在并且始终保持互连。 IoT 应用，例如智能家居和医疗， 已经在消费者市场广受欢迎。 在韩国， 甚至有智能城市即将竣工，而其他地方的更多智能城市也在规划之中。技术的不断发展使得 IoT 在消费者和企业市场不断推出崭新的
3、、不可思议的应用产品。同时，软件和服务、硬件和连通性也在迅速发展。 为了充分利用这些优势， IoT 设备设计人员和研发人员需要工具和解决方案，来帮助他们克服复杂的设计和集成方面的挑战，进而使他们能够快速和成功地开发和部署 IoT 设备。1. 引言凯文 阿什顿（Kevin Ashton）在 1999 年讨论 RFID 标签的应用时首次提出“物联网”这个概念。从 RFID 目标的简单跟踪和计数开始，物联网开始启航并陆续发展出机器对机器（M2M）、大数据和机器学习，使得类似智能建筑、智能电网和智能交通系统等应用成为可能。终端节点上的物联网设备与云或服务器连接，获取商业情报和分析数据。有些连接直接进行
4、，有些则通过网关进行，如图 1 所示。网关可以将低功耗网络上的流量汇聚到高容量的局域网和广域网。它们通常包括比终端节点更大的电源功率和计算资源。网关运行的前沿应用或模糊应用部分接管了云端和终端节点的传感器和执行器上的处理任务。为了有效地利用嵌入式计算机和无线传输，终端节点通常采用长电池寿命设计。网关应用中的智能阈值触发通过向中央云端服务器传递可执行信息，使得流量更有效率。网关接口采用各式各样的蜂窝和非蜂窝无线技术，与云端和终端节点衔接。无线接口可以根据覆盖范围、时延、吞吐量、能源效率和成本，满足不同应用需求。大规模地扩展不同无线通信技术的混合网络带来互操作性和干扰等挑战，这些挑战必须在 IoT
5、 设备的设计和研发期间得到解决。除了要符合网络要求和无线监管标准，设计方面例如能源消耗和电池寿命也应考虑在内。IoT 设备的通常预期是在部署后可工作数年。云存储、云智能和云分析 有线/光纤 ADSLWiFiAP蓝牙NFCWiFi蜂窝如 LTEWiFiThread, ZigBee, Z-WaveWiFi以太网卫星如铱(Ir)工业、汽车、 海运、航空、 关口e.g. LTE如 ISA 100.11a如 Wi-SUN如 WiFi如 Telensa如 SIGFOX如 LoRa传感器和执行器消费者 网关图 1. 有无数途径和网关可提供云端访问。104 | Keysight | IoT能力与挑战并存 应用
6、指南2. IoT 面对的挑战IoT 应用和服务中部署的设备在数量和密度上大幅增加，带来一系列的挑战，这些挑战必须得到解决，才能确保这些设备的成功实施。在本章中，我们将讨论 IoT 设备设计人员和研发人员面临的一些具体挑战。a) 电路和元件的更高程度集成混合信号集成电路（IC）技术的发展是 IoT 设备取得成功的关键因素。通过减少部件数量等方式，可以实现更小的设备尺寸。而且，随着集成度的提高，成本会不断降低，能源消耗更少，性能也更高。但是，混合信号集成也可能导致新的设计变得更为复杂。目前的混合信号 IC 将数字、模拟和射频功能集成到单个芯片上。以前片上系统（SoC）是将分立系统元件集成到单个衬底
7、上。集成了无线连通性、传感和执行接口的低功率无线微控制器 SoC 正在广泛部署到许多 IoT 应用中。PCB 集成天线通常作为芯片或外部天线的替代品，用于可穿戴的、体型小巧的低成本设备中，如智能手表。2 随着各种设备越来越多地使用印刷天线、多天线和多路无线通道，对各种现实条件下的天线性能和自我干扰进行建模和测量也变得越来越重要。天线的匹配度、效率、辐射和接收模式需要进行评估，评估时通常要考虑墙壁和安装结构，如果是可穿戴设备的话，则需要考虑到衣服和人体。随着设备复杂性的增加，需要彻底评估电、热和机械特性。这些效应会影响其他设备子系统的性能和可靠性。要解决这个挑战，我们需要能支持从元件到系统层级的
8、多领域、多技术协同仿真的设计和仿真工具，才能帮助取得成功，并为设备的实际工作提供深度设计洞察。05 | Keysight | IoT能力与挑战并存 应用指南b) 能源效率和电池寿命传感器这类简单设备通常由电池驱动，并且存储的能量有限。对于大规模部署传感器节点的网络或是医学植入体而言，这些设备的寿命应该为数月或是数年。频繁的更换电池成本非常高昂，并且在某些工作环境下也不切实际。为了节省能源，设备通常以非常低的占空比进行工作，并在大多数时候处于空闲或睡眠模式，仅在必要时才会激活。在更高性能的设备和网关中，处理器、显示器和无线模块占据了总能源消耗量的很大一部分。 这些设备配备了多种无线接口， 并且通
9、常需要处于活动模式， 以便处理繁重的任务。为了更好地理解这些设备的能源消耗，就必须充分考虑不同元件和模块的电源管理及其之间复杂的交互，如图 2 所示。为了优化电池寿命，我们需要了解每种工作模式的电流使用和持续时间。持续时间和消耗电流量决定了每种活动模式的效能与效率。电流消耗可能是确定处理某种事件或活动持续时间的唯一有效办法。其关键挑战在于测量宽动态范围的电流消耗；从睡眠模式的次 A 到活动模式的几百 mA。因此，在仿真的网络条件下使用无缝电流量程切换（获取高峰值、低占空比和低平均值）进行电池消耗分析变得十分必要。无论是使用实际电池还是电源，设计人员都必须确保设备得到正常供电，这样的方法下测试得
10、到的电池消耗结果才能代表该设备在活动状态时的情况。随着能源收集、新电池技术和低功耗设计的发展，电池寿命正在延长。使用更小的电池规格、带宽更窄的低功耗通信网络也有助于减轻能源制约。为了达到设计寿命和散热要求，进行系统化的能量分析非常必要。这样做也有助于更好地控制设备的硬件和软件性能。在环境和网络条件可能会显著降低设备工作寿命的实际工作中，这一点尤为重要。图 2. IoT 网关/传感器 （如供暖温控器、 烟雾报警器、 防盗警报器、 公用事业计量表网关） 的典型元件。MCU无线电电源管理电池SoC无线电 SoC前端模块/ 功率放大器前端模块/ 功率放大器传感器/执行器网格，例如 回程天线，例如 Zi
11、gbee, Thread, Z-wave802.11a/b/g/n, NB-IoTRFI 外壳闪存传感器 接口传感器用户界面06 | Keysight | IoT能力与挑战并存 应用指南c) 信号完整性（SI）和电源完整性（PI）SI 可分为四组：单网问题、多网耦合问题、配电网络（PDN）中的电源和接地路径以及电磁干扰（EMI）问题。4最小化 SI 问题的方法包括通过互连维持受控电阻，注意跟踪间隔以使得互感或电容最小化，校正长于理想返回路径的路径，使 PDN 阻抗最小以及确保良好的接地和屏蔽。即便如此，随着栅极或沟道长度变短、开关切换速度变快、上升时间减少和时钟频率增加，半导体技术进一步发展，使得 SI 问题无法避免。在低功率电路中，对于串扰等 SI 问题的容差更小。PI 是关于在系统内如何有效
