智能家电的Wi-Fi射频性能测试方法分析

蔡建宇 董三碧 刘泳海 莫贤标

（威凯（深圳）检测技术有限公司 深圳 518000）

1 概述

1.1 智能家电的定义及其射频性能检测的必要性

《智能家电通用技术要求》[1]中对智能家电提出两个要求：①能为用户带来新的感受和体验，这种新的感受和体验，是用户使用非智能产品所不可能或难以获得的；②应使用户更加省心、省时、省力、节省成本达到某些目的，或更容易的使其替代人类完成某些人类不易完成或不可能完成的任务。也有人认为智能家电是将传感器技术、数字化技术、计算机技术和网络通信技术应用于传统家电产品，使家电设备具备交互智能化和网络通信功能。本文中的智能家电专指应用了Wi-Fi无线通信技术，具有远程控制功能的智能家电产品。

近年来，随着信息技术水平的不断提高以及消费者对高品质生活的日益增长的需求，智能家电如智能电视机、智能冰箱、智能洗衣机、智能电饭煲等逐渐进入千家万户。消费者在使用智能电视机、智能洗衣机、智能电饭煲过程中，产品的无线接收、无线接收的性能优劣直接影响消费者的使用体验。如果产品的无线传输、无线接收的性能较差，会出现影视加载缓慢、远程控制命令失败等问题，造成使用故障，导致消费者对产品满意度低，投诉率高。同时，由于各个消费者的房屋结构不一以及智能家电放置的位置也不尽相同，智能家电的基本属性——远程控制将受到严峻考验。因此，对智能家电无线传输、无线接收的性能进行测试显得格外重要，测试项目有总全向辐射功率、总全向辐射灵敏度和吞吐量。

1.2 OTA的定义及其检测项目

OTA（Over the Air），空口测试，即在OTA暗室中，待测物通过电磁波在空气中传输，与测试仪器建立连接，从而完成无线性能的测试。

OTA暗室包括全电波暗室、混响室。OTA全电波暗室根据定位系统分为：OTA组合轴全电波暗室，OTA分布轴全电波暗室。本文所中OTA暗室一般特指OTA组合轴全电波暗室。

在OTA暗室可以进行无源测试、有源测试和吞吐量测试。无源测试是测算天线的增益、效率和方法系数。有源测试项目包括总全向辐射功率和总全向辐射灵敏度。总全向辐射功率（Total Isotropic Radiated Power）是指整机在空间三维球面上的射频辐射功率的积分值，反映了整机在所有方向上的辐射特性。功率反映了Wi-Fi信号的强弱，功率越大，信号越强，覆盖的范围越广。总全向辐射灵敏度（Total Isotropic Radiated Sensitivity）是指整机在空间三维球面上的接收灵敏度的积分值，反映了整机在所有方向上的接收特性。接收灵敏度反映了Wi-Fi接收质量的优劣，接收灵敏度的绝对值越大，接收弱信号的能力越优秀。

空间射频测试方法较接近产品实际使用场景，可以验证产品内部辐射干扰、产品结构、天线的因素、射频芯片收发算法对其射频性能的影响，因此本文研究在OTA暗室中Wi-Fi射频性能的测试方法。

2 Wi-Fi射频性能测试标准

2.1 主要标准

国内标准：YD/T2193《移动用户终端无线局域网空间射频辐射功率和接收机性能测量方法》[3]。国外标准：《Test Plan for RF Performance Evaluation of Wi-Fi® Mobile Converged Devices V2.2.1》[4]。

2.2 OTA暗室要求

《Test Plan for RF Performance Evaluation of Wi-Fi®Mobile Converged Devices V2.2.1》[4]中明确提出2.4 G Wi-Fi和5GWi-Fi的最小测量距离要满足LTE Band41，Band46的最小测量距离要求，静区纹波测试应测试（2 450±1）MHz及（5 500±1）MHz这两个频点。

2.3 测试仪表参数配置

《移动用户终端无线局域网空间射频辐射功率和接收机性能测量方法》[3]中规定按照表1参数，对测试仪表进行配置，测试TIRP时，允许使用ACK或ICMP中任一种方式测试。《Test Plan for RF Performance Evaluation of Wi-Fi® Mobile Converged Devices V2.2.1》[4]规定按照表2参数，对测试仪表进行配置。仅当待测物不支持ICMP时，才允许使用ACK方式测试。

表1 YD/T 2193仪表参数配置

表2 CTIA Wi-Fi 仪表参数配置

2.4 待测物配置

《移动用户终端无线局域网空间射频辐射功率和接收机性能测量方法》[3]中提出4点要求：①关闭Wi-Fi搜索功能；②如果可行，关闭省电模式；③当信号降低至待测物与测试仪表断开连接时，待测物应尝试与测试仪表重新连接④如果可行，关闭蓝牙功能。

《Test Plan for RF Performance Evaluation of Wi-Fi®Mobile Converged Devices V2.2.1》[4]中待测物配置的4点要求分别为：①关闭Wi-Fi搜索功能；②如果可行，关闭省电模式；③如果可行，关闭蓝牙功能；④除非测试减敏性能，否则应关闭待测物的蜂窝模块。

2.5 总全向辐射功率测试要求

《移动用户终端无线局域网空间射频辐射功率和接收机性能测量方法》[3]中规定需按照表3所示，测试指定频率和速率下待测物的总全向辐射功率；按照表4所示，测试指定频率和速率下待测物的单点辐射功率。设置单点位置，使之与最近频点总全向辐射功率结果中的最佳辐射功率测量点相同。《Test Plan for RF Performance Evaluation of Wi-Fi® Mobile Converged Devices V2.2.1》[4]规定按照表5，测试指定频率和速率下待测试物的TIRP。Performance Evaluation of Wi-Fi® Mobile Converged Devices V2.2.1》[4]规定按照表8，测试指定频率和速率下待测试物的TIRS。

表3 YD/T 2193 TRP测试信道

表4 YD/T 2193 TRP单点测试信道

表5 CTIA Wi-Fi TRP测试信道

2.6 总全向辐射灵敏度测试要求

《移动用户终端无线局域网空间射频辐射功率和接收机性能测量方法》[3]中规定需按照表6所示，测试指定频率和速率下待测物的总全向辐射灵敏度；按照表7所示，测试指定频率和速率下待测物的单点接收灵敏度。设置单点位置，使之与最近频点总全向辐射灵敏度结果中的最佳接收灵敏度测量点相同。《Test Plan for RF

表6 YD/T 2193 TIS测试信道

表7 YD/T 2193 TIS单点测试信道

表8 CTIA Wi-Fi TIS测试信道

3 智能家电Wi-Fi射频性能测试步骤

3.1 总全向辐射功率测试 TIRP

1）测试布置

智能家电在OTA暗室中按照自由空间放置，其三维几何中心应与静区中心对齐，所用测试夹具应能固定待测物。智能家电应分别在典型工作状态下进行测试。若由于OTA暗室环境限制，智能家电应尽可能保持最完备功能状态或模拟典型工作状态。

2）测试配置

关闭智能家电的Wi-Fi搜索模式、省电模式、蓝牙功能、蜂窝模块。如果智能家电支持ICMP，那么总全向辐射功率应在ICMP模式进行测试，否则在ACK模式下测试。

3）测试步骤

智能家电的辐射发射特性是通过测量其周围不同球面位置的辐射功率数值计算得出的。通过分析采样球面上各个采集点的辐射功率数据，经过计算得到家电产品的有效辐射功率，从而获得智能家电的空间三维辐射功率特性。

设置测量仪器的衰减；设置接收端的衰减；设置测量仪器在指定信道、调制方式、数据速率下发射信号；智能家电产品与测量仪器建立连接；测量仪器以指定的发包方式向智能家电发包；智能家电回复环回数据包；测量仪器对返回数据包进行测量，得出功率；转换测量点，重复测试流程。

在球坐标的Theta轴和Phi轴分别间隔15°取一个测量点，在Theta=0°和Theta=180°不用测试，每个极化方向共计测试264个点，将每个点采集到数据通过以下公式计算，便可以得出智能家电的总全向辐射功率。

4）测试结果

测试结果按照如表9格式进行记录，并保存其3D图形。

表9 TRP记录表

5）性能改进

智能家电在待机模式下按照1），2），3）步骤测试TIRP，将测试结果与典型工作模式下的TIRP进行比较，分析差异产生的原因，减小工作电路对TIRP的影响。

3.2 总全向辐射灵敏度测试 TIRS

1）测试布置

智能家电在OTA暗室中按照自由空间放置，其三维几何中心应与静区中心对齐，所用测试夹具应能固定待测物。智能家电应分别在典型工作状态下进行测试。若由于OTA暗室环境限制，智能家电应尽可能保持最完备功能状态或模拟典型工作状态。

2）测试配置

关闭智能家电的Wi-Fi搜索模式、省电模式、蓝牙功能、蜂窝模块。总全向辐射灵敏度在ACK模式下下测试。

3）测试步骤

智能家电的辐射接收性能是测试其周围不同球面位置的接收灵敏度数值得出的。通过分析采样球面上各个采集点的接收灵敏度数据，计算其有效接收灵敏度，从而获得智能家电的空间三维辐射接收特性。

设置测量仪器的衰减；设置接收端的衰减；设置测量仪器在指定信道、调制方式、数据速率下发射信号；智能家电产品与测量仪器建立连接；测量仪器以指定的发包方式向智能家电发包；智能家电收到数据包后回复ACK给测量仪器；测量仪器计算误包率；增加测量仪器的衰减值，直至增加的衰减值使得误包率将至90 %以下；转换测量点，重复测试流程。

在球坐标的Theta轴和Phi轴分别间隔30 °取一个测量点，在Theta= 0 °和Theta=180 °不用测试，每个极化方向共计测试90个点，将每个点采集到数据通过以下公式计算，便可以得出智能家电的总全向辐射灵敏度。

4）测试结果

测试结果按照如表10格式进行记录，并保存其3D图形。

表10 TIS记录表

5）性能改进

智能家电在待机模式下按照1），2），3）步骤测试TIRS，将测试结果与典型工作模式下的TIRS进行比较，分析差异产生的原因，减小工作电路对TIRS的影响。

4 结语

目前，智能家电仅将Wi-Fi传导射频测试纳入国内市场准入测试要求，相较于空间射频测试方法，传导射频测试更多是评估无线模块的性能，并不能反映智能家电在实际工作中的射频性能。采用本文提出的在OTA暗室中测试智能家电Wi-Fi的射频性能的方法，可以模拟智能家电工作环境，有效评估产品结构、天线位置、内部电路辐射对Wi-Fi射频性能的影响，根据其测试结果，可以为家电厂商对产品的改造升级提供思路并加以验证。随着更多智能无线通信产品进入居家环境，各设备间的无线共存干扰将对智能家电产品的射频性能提出更高要求，在智能家电产品投入市场前，对其进行空间射频性能测试将比以往任何时候更加重要。