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Rohde & Schwarz / Oszilloskoptechnik

IoT-Module debuggen leicht gemacht

13. April 2016, 11:39 Uhr   |  Nicole Wörner


Fortsetzung des Artikels von Teil 2 .

Aus der Praxis - Messbeispiele

Bild 2: Minimaler Stromverbrauch im Sleep Mode
© Rohde & Schwarz

Bild 2: Minimaler Stromverbrauch im Sleep Mode

Bild 2 zeigt ein entsprechendes Messbeispiel. Der Strom (Kanal 3 - orange) während der Schlafsequenz wird innerhalb eines Gates (grauer Bereich) ermittelt und beträgt 1,8 mA. Während der Paging-Sequenzen ist ein deutlich höherer Strom von etwa 100 mA erkennbar, weil das Modul kurzzeitig aufwacht und über die Kommunikationsschnittstelle einen Puls auf der CTS-Leitung (Clear to Sent) sendet. Kanal 1 (gelb) zeigt, dass das Funkmodul während der Schlafsequenz inaktiv bleibt und keine Signale sendet.

Bild 3: Minimaler Stromverbrauch ohne Sleep Mode
© Rohde & Schwarz

Bild 3: Minimaler Stromverbrauch ohne Sleep Mode

Bild 3 zeigt das Verlassen des Sleep Modes. Der minimale Stromverbrauch steigt auf 8 mA. Das hat einen deutlichen Einfluss auf die Lebensdauer der Batterie. Um den genauen Umschaltpunkt des Programms zu erfassen, wurde ein Protokolltrigger auf das Transmitter(Tx)-Signal der Kommunikationsschnittstelle gelegt. Das Datum "0Dh" entspricht dem Abschluss der Programmiereingabe, die den Sleep Mode beendet. Im Bild ist das Tx-Signal sowohl als MSO-Logiksignal (D0: Tx), als auch als dekodiertes UART-Signal (zur besseren Sichtbarkeit auch im Zoom) sichtbar.

Dynamische Übergänge wie hier vom Schlafmodus mit dem sehr kleinen Strom von 1 bis 2 mA in einen funktionalen Zustand mit Strömen größer 1 A sind kritische Messpunkte. Hier ist eine genaue Betrachtung des Stromverbrauchs mit entsprechend hoher Auflösung sinnvoll. Beim R&S RTO2000 kann der Anwender in solchen Fällen auf den 16-Bit-High-Definition-Modus umschalten. Einstellbare Tiefpassfilter, die nach dem A/D-Umsetzer auf das Signal wirken, ermöglichen diese ungewöhnlich hohe Auflösung. Auf diese Weise sind auch Signaldetails im mA-Bereich in einem großen vertikalen Messbereich analysierbar. Und das Oszilloskop kann bei Bedarf sogar darauf triggern.
 

Bild 4: Charakterisierung von Spannung und Strom  während eines GSM-Sendepulses
© Rohde & Schwarz

Bild 4: Charakterisierung von Spannung und Strom während eines GSM-Sendepulses

Strom und Spannung im Sendemodus

Über Analysen von Strom- und Spannungsverlauf während des Funkbetriebs können weitere Störungsursachen und Einsparmöglichkeiten für die Stromversorgung entdeckt werden: Wie hoch ist zum Beispiel die Belastung der Stromversorgung bei der Initialisierung von Anrufen oder bei der Übertragung von SMS-Daten? Gerade der Spannungseinbruch während des hohen Strombedarfs bei Sendesequenzen ist kritisch. Das Unterschreiten der unteren Spannungsgrenze kann beispielsweise zum automatischen Abschalten des IoT-Moduls führen.

Der Aufbau des Stromversorgungssystems ist anspruchsvoll und adressiert vielfältige Funktionalitäten. DC-DC-Schaltregler oder Low-Drop-Out-Spannungsregler (LDOs) erzeugen aus der zentralen Versorgungsspannung die entsprechenden Spannungen für die verschiedenen Funktionsblöcke. Das IoT-Modul von Gemalto verfügt über einen eigenen Power-Management-Controller sowie über LDOs und DC-DC-Abwärtswandler, um eine stabile Versorgung für das GSM-Modul und die SIM-Karte zu sichern. Der Power-Management-Controller kontrolliert auch die Einschalt- und Ausschaltprozeduren des Moduls.

Kritische Parameter für die optimale Funktionsweise des IoT-Moduls sind der maximale Stromverbrauch während des Sendebursts, sowie die Sicherstellung einer minimalen Spannung trotz Spannungseinbrüchen, Welligkeit und Spitzen (Bild 4). Zudem ist die Qualität des Funksignals stark abhängig vom Rauschverhalten und eventuellen spektralen Störern in der Spannungsversorgung. Das Gemalto-Modul überwacht die Spannung über einen integrierten AD-Wandler. Die Lösung kann bis zu einem minimalen Intervall von 0,5 s Spannungswerte ermitteln. Dies ist ausreichend für den Betrieb, jedoch nicht für die Fehlersuche und Optimierung der Spannungsversorgung während der Inbetriebnahme der IoT-Anwendung. Deshalb wird hierzu die Spannung mit dem Oszilloskop und einem aktiven massebezogenen Tastkopf, beispielsweise mit dem 1 GHz R&S RT-ZS10 von Rohde & Schwarz, gemessen. Dieser besitzt eine eigene Offset-Einstellung, die der Anwender für die Messung auf die Ruhespannung einstellt. Nun kann er mit einer feinen vertikalen Skalierung in die Details der Spannungsversorgung und insbesondere auf das Rauschverhalten fokussieren. Spektrale Störer sind anschließend durch die einfach bedienbare FFT-Funktion des R&S RTO2000 zu detektieren. Mit dem Spektrogramm ist sogar eine Analyse von Frequenzkomponenten über eine längere Zeit hinweg möglich. Durch die grafische Darstellung im Spektrogramm sind Fehler schnell erkennbar.

Das Messbeispiel in Bild 4 zeigt eine nützliche und einzigartige Funktion des neuen Oszilloskops: den Zone Trigger. Im Spektrum des Funksignals ist im Bereich von 890 bis 910 MHz eine Maske definiert, die zur Trigger-Entscheidung genutzt wird. Im Messbeispiel wird nur getriggert, wenn ein Sendepuls in diese Maske hineinragt. Mit dem History-Player können nachträglich die Strom- und Spannungskurven mit den Sendepulsen korreliert werden.

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1. IoT-Module debuggen leicht gemacht
2. Maximierung der Batterielaufzeit - Sleep Mode
3. Aus der Praxis - Messbeispiele
4. Fehlersuche auf Systemebene

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