电子产品世界一种手持式NB-IoT终端综合测试仪的设计与实现* Design and implementation of a handheld NB-IoT terminal tester
王先鹏 （中电科思仪科技股份有限公司，青岛 266555）
摘 要：随着5G技术的成熟与快速发展，推动了窄带物联网NB-IoT技术的长期演进。由于具有广覆盖、高密度、低功耗、低成本等特点，NB-IoT终端获得了大量应用，NB-IoT终端信号分析也就成为了终端一致性测试的关键。本文在分析NB-IoT终端测试协议基础上，提出了一种手持式NB-IoT终端综合测试仪设计方法，集成了终端的多种测试功能，提高了NB-IoT终端在生产测试中的测试效率。测量结果验证了所提方法的有 效性。
关键字：NB-IoT；物联网；综测仪
*基金项目：中国电科集团发展资金项目，5G专网多通道综测仪
0 引言
随着5G技术的成熟与快速发展，推进了窄带物联网NB-IoT技术的长期演进。在3GPP R14、R15和R16b版本中，作为低功耗广域物联网技术，NB-IoT技术的演进和升级[1-2]，使之进入了5G候选技术集合[3]。
作为物联网通信标准之一，NB-IoT技术支持广泛的新物联网设备连接和服务，有利于实现物联网设备的大规模部署和低成本、低功耗、长电池使用寿命方案的实施。它具有广覆盖、高密度、低功耗、低成本等特点，又能基于现有蜂窝基础设施实现大量物联网设备的互联互通，在智慧城市建设、工业自动化、智能交通、智能家居和数字医疗等领域得到了大量应用[4-6]。由于基于NB-IOT技术的物联网设备的大规模部署、种类繁多的物联设备和低成本要求，对这些设备的各种测试提出了很高的要求，测试的复杂性也随之增加。
对于NB-IOT终端设备的测试主要分为NB-IOT协议一致性测试、NS-IOT测试、RRM一致性测试、射频RF指标测试、功耗测试、互操作性测试、OTA测试和产线测试等。文献[7-8]基于TTCN-3技术提出了 NB-IoT终端射频一致性测试平台，仅能满足协议栈的一致性测试和实验室验证。如何满足不同种类NB-IoT 终端设备的低成本高效测试已成为一个亟待解决的难题。目前国外主流仪表生产厂商都是基于现有仪表硬件架构，通过NB-IoT软件升级包的形式支持测试，因此其低成本的优势也就不再显现；国内仪表厂商对于NB-IoT测试的仪表功能单一。综上所述，本文针对NB-IOT终端设备提出了一种低成本、手持式、支持多功能测试的终端综测仪软硬件设计方法和实现技术。 1 NB-IoT终端综测软硬件设计
１．１ 硬件平台设计
由于NB-IoT终端具有低功耗、低成本等特点，所以NB-IoT终端综测硬件平台需要一个高指标，低成本的射频前端模块、高效的数据处理模块和协议栈模块以及低功耗分析检测模块。综合考虑多方面因素，本文提出了一种硬件总体设计方案，结构如图1所示。 作者简介：王先鹏（1986—），男，通信作者，硕士，工程师，主要研究方向：5G NR/LTE移动通信测试系统开发，e-mail: **********************。
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ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2021.6
设计应用
esign & Application
D
图１ ＮＢ－ＩｏＴ终端综测议硬件结构框图
陈克恭
射频模块由射频发射通道、射频接收通道、收发本振、射频开关矩阵和时基参考板构成，实现射频信号与中频信号的相互转化。射频开关矩阵使用NB-IoT 终端产线的自动化快速测试方法，而一般单台仪表的标配为一个收发合路的天线模块。射频频率范围为 （70~6 000）MHz 。中频处理模块由FPGA +ARM 结构组成，FPGA 实现下行信号的发送和上行信号的采集分析，ARM 实现线程调度、数据分析、与人机接口通信以及整机状态维测管理等；协议栈模块负责NB-IoT 信令流程交互控制；功耗分析模块实现对终端的电流分析。
NB-IoT 下行采用OFDMA 技术，占用带宽200 kHz ， 实际占用180 kHz ，两边各有10 kHz 的保护带宽，在LTE Inband 部署时相当于1个RB 。下行子载波带宽15 kHz 。NB-IoT 上行则采用SC-FDMA 技术，有3.75 kHz 和15 kHz 两种带宽。鉴于射频硬件和FPGA +ARM 构成的数据处理模块的通用性（例如支持LTE 测试），中频处理单元采样率设为30.72 Mbit /s ，分析带宽为30.72 MHz 。中频信号处理单元将中频信号通过A /D 模数转换器变成数字信号，且FPGA 可以采用中频功率或者帧同步实现终端上行信号的同步。
１．２ 软件架构设计
根据硬件架构以及支持的功能划分，NB-IoT 终端综测仪软件架构如图2所示。
从图中可以看出，软件部分主要包含中频和射频逻辑处理模块、驱动模块、ARM 中的业务调度模块、数据处理模块、统计分析模块、TCP 通信模块、协议栈和人机/自动化接口等。NB-IoT 物理层的数据分析由FPGA 完成实时IQ 数据的采集、解调和计算，ARM 进
行业务调度，同步实现数据处理和统计分析。协议栈模块仅在进行NB-IoT 协议测试（信令模式）时才被激活，与FPGA 中物理层实时处理单元构建一个完整的上下行
通信链路。
当头炮对屏风马图２ ＮＢ－ＩｏＴ终端综测仪软件架构图
NB-IoT 功耗分析的关键是对终端电流的动态分析。本综测仪中的功耗分析模块可以结合FPGA +ARM 高效数据处理模块、高性能射频模块和协议栈模块构成的信令交互通路，实现终端在各种待机状态、连接状态下电源功耗的在线分析。
NB-IoT 终端的一致性测试包括射频一致性测试、RRM 一致性测试和协议一致性测试3个方面。射频一致性测试主要测试终端的发射机指标、接收机指标和性能要求；RRM 一致性测试主要是对终端移动性管理、连接态移动管理、RRC 连接、传输时间性能测量等进行测试分析；协议一致性测试是对空口协议信令交互一致性进行测试。终端射频一致性测试对仪表要求非常高，而本综测仪硬件架构能够很好满足射频测试需求，同时结合协议栈模块实现终端在信令模式下进行RRM 和协议一致性测试。
2 测试结果
本文选择NB-IoT 终端进行非信令模式下射频指标测试。中心频率1 GHz 作为测试例，模式设置为DL FDD Stand -alone ，触发模式为中频功率触发，相关参数配置按照3GPP TS 36.101、3GPP TS 36.521协议中规定进行设置[9-10]，具体测试结果如图3所示。
电子产品世界
图３ ＮＢ－ＩｏＴ射频指标非信令测试结果
图3中显示与NB-IoT终端上行信号同步成功，并
2010中秋晚会从时域、频域和解调域3个方面对终端上行信号进行了
分析，包括：EVM、星座图、频谱、时域功率和资源
分配表等。
3 结束语
本文针对NB-IoT的特点和测试需求，提出的硬件
平台设计方法可以实现NB-IoT的信令与非信令测试，
通过8T8R功分模块实现产线多终端自动化并行快速测
peek试。本文所提出的设计方案实现了单台NB-IoT终端综
测仪集协议测试、射频指标测试、RRM测试的一体化，
在生产测试和内外场测试中显著提高测试效率，降低了
成本。
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terrestrial radio access(E-UTRA);User Equipment(UE)
radio transmission and reception(Release 16)[S],2020.
[10] 3GPP TS 36.521 V16.7.0(2020-12);Evolved universal
制定地方大气污染物排放标准的技术方法terrestrial radio access(E-UTRA);User Equipment(UE)
conformance specification; Radio transmission and
reception (Release 16)[S],2020.
（上接第６９页）的发生。经过本次失效分析工作，到
了偶然事件产生的根源，通过采取纠正措施，降低了偶
然失效发生的概率，对产品可靠性的提高具有显著实用
价值。
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（上接第７１页）
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