概不雅麻豆 91

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ZigBee 楦鋈饲域网路 (Personal area network，PAN) 的无线标剩适用於感测器监控与戒指。此篇本事文献可了解 NI 定约伙伴 SeaSolve 公司所开拓的 ZigBee 测试组合，包含 Transmit (Tx)、Receive (Rx)，与相容性测试。在此哄骗讲明中，咱们将针对各测试类型概括测试方式与本事。

ZigBee 等于 IEEE 802.15.4，槲尴咦爸弥间的低功率短距通信标省４吮使槔槲尴吒鋈饲域网路 (Wireless Personal Area Network，WiPAN);该区域网路亦包含蓝芽 (IEEE 802.15.3) 标省

ZigBee 标室阎鸾ヒ起交易与军事a业的兴味，适用於如无线感测器网路、家庭自动化，与工业级戒指的哄骗。ZigBee 标手是以会渐渐受到心疼，即因 ZigBee 适用於可形成自组 (Self-forming) 与自疗 (Self-healing) 的随建即连 (Ad hoc) 网路或Ш (Mesh) 网路装配。此有计划的中央「PAN coordinator」装配，将监控网路组态的情形。在最近几年中，感测器网路亦成榫事/战场哄骗的研究主题。因此将 ZigBee 标视渺抖ㄒ Ad hoc 战场聪惠型有计划的通信功课，亦引起更多的注意。

ZigBee 规格之是以适用於远端无线感测器的原因之一，即由於其低功率的 PHY 实体层 (Physical layer)。大要上来说，PHY 规格可让 ZigBee 装配以下列 3 种频带之一进行功课：868 MHz (欧洲)、915 MHz (北好意思)，与 2.4 GHz (宇宙通用)。ZigBee 收发器最常用的即 2.4 GHz 频带，并使用 OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keyed) 调变串流。与相似架构相较，OQPSK 仅需较低功率亦可达到等同或较佳的传输率，因此成榇统 QPSK 的繁衍架构。OQPSK 使用 90 度的最大相位诊疗 (Phase transition)，将符码 (Symbol) 转橄 1 个符码。此秉性可幸免符码过冲 (Overshoot)，且所需的传输功率略低於传统 QPSK 调变架构。此瞎想整合 5 MHz 通谈频宽，可让装配以合理功率达到最高每秒 250 kb 传输率。

由於 ZigBee 收发器是针对低功率哄骗所瞎想，因此 PHY 实体层相对可快活较大的装假。事实上，该装配可快活最高 35% 的 EVM，却仍防守合理的位元装假率 (BER) 着力。因此，此系统需要透过更多测试方法，以进行瞎想磨真金不怕火功课。不才列章节中，咱们将讲明需要特定测试的事理，并提供高精准度测试的诀要。

如先前所述，咱们将分 3 个部分进行讲明。包含：

以向量讯号分析器 (VSG) 进行传输器测试 (Transmitter Testing)

以向量讯号a生器 (VSA) 进行汲取器测试(Receiver Testing)

以 VSA 与 VSG 进行自动化相容性测试 (Automated Compliance Testing，ACT)

ZigBee 传输器测试

当测试 ZigBee 收发器的 Tx 讯号品性时，必须使用向量讯号分析器，以了解频谱资讯与调变后的讯号品性。其中 1 个料理有计划，即是使用 SeaSolve 公司的 WiPAN LVSA Signal Analysis 用具组，搭配 PXI-5660 向量讯号分析器。透过此软体组合，咱们即可於 IEEE 802.15.4 的相容讯号中实施频谱与调变量测。但请难忘：此 2 种量测类型均樯杓萍煅橛肷a测试所必要。粗略来说，ZigBee 传输器的频谱放射 (Spectral emission) 功课，将决定其与 ISM (工业、科学，与医疗) 频带装配之间的互通性。此外，Tx 讯号的调变品性将整合天线着力，以决定该装配可清晰功课的距离詈骂。常见的测试设定即橄峦妓示。

图 1. 传输器可透过径直邻接或无线介面进行常见测试。

常见的频谱量测包含：功率频谱密度、子闷悼怼⒏ (Upper)/低 (Lower) 频带功率，与频带总功率。此外，常见的调变分析用具包含：星座图 (Constellation plot)、眼图 (Eye diagram)、互补积蓄分押数 (Complementary cumulative distribution function，CCDF) 弧线，与反璧的位元流 (Bitstream)。常见调变量测椋捍砦笙蛄糠度 (Error vector magnitude，EVM)、频率偏移，与位元装假率 (BER)。请注意，不同的a品开拓阶段，均必须进行不同的量测与分析功课。例如来说，开拓的瞎想磨真金不怕火阶段，需要如星座图的敏感分析用具，以针对a品瞎想的多种问题进行除错。而就生a测试来说，则需要如 EVM 与频率偏移此类属於界说性的量测，以比较系统着力与测试纵脱。

ZigBee Tx 频谱分析

接著将讲明各项基础频域 (Frequency domain) 量测与其热切性。并请注意，下列每项量测均可使用频谱分析器或向量讯号分析器。由於向量讯号分析器亦可用於调变量测 (下段将接著讲明)，因此一般均保举使用之。

功率频谱密度(Power Spectral Density，PSD)

功率频谱密度 (PSD) 可露馅良友封包功率散播於庞大频率规模中的情形。此项量测可确保传输器是於 IEEE 802.15.4 标实钠灯渍谡种凶饕怠Ｈ缤 2 所示，频率遮罩正与输出功率进行比较。频率遮罩即橥贾邪咨线条，代表传输器可辐射至左近频带 (Adjacent band) 的功率纵脱。当进行装配的除错功课时，若滤波器瞎想欠佳或放大器所压缩的影像，均可能於左近频带中形成多N的功率。

图 2. 功率频谱密度图

带中功率 (Power in Band)

带中功率量测，将计划特定通谈或频带中的整合功率 (dBm)。此项量测将可确保传输器不致超过 IEEE 802.15.2 标实墓β使娓瘛

子闷悼 (Occupied bandwidth)

子闷悼斫反璧特定频带的频宽，其中包含 99% 的频展 (Span) 总功率。

左近通谈功率(Adjacent Channel Power)

左近通谈功率量测，将包含高 (Upper) 频带与低 (Lower) 频带中的功率。把柄 IEEE 802.15.4 标剩高频带槌向功课频率右方的 5MHz;低频带槌向功课频率左方的 5MHz。

基频 (Baseband) 量测

基频 (Baseband) 参数目测，将确保 ZigBee 的传输封包可由汲取器进行解码。由於 ZigBee 收发器即瞎想榈凸β首饕担且不需要过高的良友传输率，因此时常捐躯调变品性以按捺耗勤苦率。合座来说，量测品性是榱似拦牢辉装假的可能性 (Likelihood)。以下图槔，咱们将 BER 作念 EVM (%) 的函式以进行评估。

图 3. QPSK 调变传输中的 BER vs. EVM

如图所示，当 QPSK 收发器的 EVM 从 15% 陶冶至 30% 时，BER 将大幅加多。相对来说，大无数 ZigBee 装配在进行功课时，其 EVM 必须低於 35%。因此，量测调变的精准度更显热切，以确保收发器大要於该咽鸹肪抓薪行有用功课。如下所述，仅需数个插槽与量测功课，网曝黑料即可完成该项需求。

装假向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)

EVM 可协助发现多项问题与减损 (Impairment) 处，如局部震U器 (Local Oscillator，LO) 清晰性、中频 (IF) 滤波器、压缩 (Compression)、符码率 (Symbol rate)，与搅扰音频 (Interfering tone)。透过 EVM 量测，即可了解系统线性度 (Linearity) 与效果。在分析措施时间，使用者可随时检讨 EVM 是否低於 35% 的标侍囟ú慰贾担以确保传输讯号的解调 (Demodulation) 功课无虞。一般来说，亦可透过各符码基础与 RMS EVM% 量测功课得到 EVM;此后者更可针对整组封包获取 EVM 平均值。下图即槊糠码 EVM 量测的法度：

图 4. 针对所传输 ZigBee 封包的各符码 EVM。

星座图(Constellation Plot)

星座图可呈现解调事后的基频波形。由於星座图可找出如 IQ 增益失衡 (Gain imbalance)、DC 偏移、相位差诬陷 (Quadrature skew)，与其他减损，因此成樯杓萍煅榻锥巫钪匾的图表之一。不同於仅提供爽脆数值的 EVM 量测，星座图亦可呈现装假开始。如下图所示，红色代表驮 (Recovered) 符码，而白色代表符码传输。

图 5. ZigBee 传输讯号的星座图。

在星座图中，咱们可看到依图表参数所发生的整个传输功课 (以白色露馅)，且其并未穿过中央。此即榱硗 1 种花样的 OQPSK 结构，且其耗勤苦率低於传统的 QPSK 结构。

天然 EVM 属於可进行减损量化 (Quantifying) 的特等机制，但星座图的尺寸与外型，更可明晰指出减损类型与位置。榱怂得鞔斯δ埽下方星座图即露馅了装假的 Tx 讯号。

图 6. 包含减损的 ZigBee Tx 星座图。

在图 6 中，咱们只好不雅察星座图的基本秉性，即可了解该减损的所属类型。率先，咱们可发现该图是以顺时的方式微微延展 (即 Θ 角小於 90 度)。透过此秉性，即可了解该减损属於相位差诬陷。换句话说，局部震U器 (LO) 的同相 (In-phase) 与 4相位 (Quadrature-phase) 元件，并非精准的 90 度反相位 (Out of phase)。天然 EVM 可透过数值得知多项减损，但星座图却可进一步找出装假开始。

眼图 (Eye Diagram)

眼图亦可暗示 Tx 讯号的调变秉性。与星座图相悖，眼图可检视讯号的时域 (Time domain)，并可呈现其花样或通谈失真。透过此量测方式，工程师可决定最好取样点 (Sampling point) 并进行良友解码。分析功课时间，使用者亦可在移除偏移 (OQPSK -> QPSK) 之后，检讨讯号中的最大启齿 (Eye-opening)，以磨真金不怕火解调的属性。

良友位元数

要量化汲取器着力的常见方式之一，即是进行位元装假率 (BER) 的量测。由於低 EVM 少量发生装假，因此依调变品性的不同，BER 量测可能极楹氖薄Ｒ嘁蛉绱耍时常於瞎想磨真金不怕火经逾期间，进行蔓延的 BER 测试。在生a测试中，亦会进行较节略的 BER 测试。只好回传以 1 与 0 字串所代表的解码原始良友，色吧图片性爱即可进行 BER 量测功课。只好将这些数值与已知的传输功课比拟较，即可计划出 BER。

互补积蓄分押数(CCDF)

互补积蓄分押数 (Complementary Cumulative Distribution Function，CCDF) 可分析讯号的功率秉性。把柄先前所提，ZigBee 规格亦将界说 OQPSK 调变架构的使用方式，以将所需功率压至最低。因此，在理念念状况下，只好 Tx 可达清晰功率，传输器即可达到最大功率效益。下图即 CCDF 弧线，可不雅察功率是否发生变动。此图即代表功率并未发生变动。

图 7. 完整的积蓄分押数，即代表 Tx 封包的品性。

如图所示，CCDF 弧线可暗示高於平均功率的功率百分比。在理念念条目下，CCDF 弧线的右侧橥昝赖拇怪毕摺Ｔ诖税咐中，功率放大器可防守最高的功率效益，而不会发生过溢 (Saturation)。

ZigBee 汲取器测试

ZigBee 汲取器的测试需求，时常分 2 个部分：MAC Layer 模拟与实体层 (PHY Layer) 的减损测试。MAC Layer 模拟功课，将用以阐发 ZigBee 汲取器可符合复兴所a生的辅导。而减损测试功课，将抓续按捺测试引发 (Test stimulus) 的调变品性，藉以测试汲取器。只好使用 SeaSolve 公司的 WiPAN LVSG 讯号a生料理有计划，并搭配 PXI 向量讯号a生器，即可建置上述 2 项测试。下图即讲明相关测试功课。

图 8. WiPAN 对应至 ZigBee 的协定堆迭

如上图所示，IEEE 802.15.4 标志ㄒ辶 ZigBee 传输的 MAC Layer 与 PHY Layer。常见的测试措施，则是以封包a生功课进行 MAC Layer 模拟;故意形成讯号减损以测试 PHY Layer。

ZigBee 讯框类型

ZigBee 传输功课的媒体存取戒指 (Media Access Control，MAC) 层，可界说基本的封包与讯框 (Frame) 架构。IEEE 802.15.4 规格则界说汲取器测试功课的 4 种基本讯框架构。这些讯框类型包含：

计划讯框 (Beacon frame) 可透过相助器 (Coordinator) 传输计划。计划封包将⒍节点，以找出隔邻的其他封包。

良友讯框 (Data frame) 可用於整个的良友酬载 (Payload) 诊疗

认同讯框 (Acknowledgment frame) 可阐发讯框汲取得胜

MAC 辅导讯框 (Command frame) 可处理 MAC 同层实体 (Peer-entity) 的戒指诊疗

其中 MAC 辅导讯框具有最高弹性。此外，汲取器测试亦与特定子讯框有计划，依类型列於下方：

Association request – 橛 PAN 相助器相相关的申请。

Association response – 樾调器以关联 (Association) 状况作念出的回覆 (可能性包含：Association Successful、PAN at capacity、Access denied)

Disassociation notification – 是由装配或相助器所使用，可奉告其他节点非关联性 (Disassociation)。

Data request – 可自相助器提取良友。

PAN ID conflict notification – 暗示发生 PAN 识别器 (Identifier) 突破

Orphan notification- 代表关联装配 (Associated device) 已无法与该相助器进行同步化

Beacon request – 用於同步化，并可传输超讯框 (Superframe) 资讯

Coordinator realignment – 可让相助器回覆 Orphan Notification 辅导。当 PAN 属性因逻辑通谈资讯而发生变化时，亦将使用此子讯框。此子讯框可传输至合座 PAN 或单一的独处 (Orphan) 装配。

GTS request – 由关联装配使用，可要求分拨新的保证时槽 (Guaranteed time slot，GTS)，或要求取消 PAN 相助器的现存 GTS 分拨。此子讯框亦可界说 GTS 栏位的长度、方针，与类型。

MAC 讯框栏位设定

此外亦可设定 MAC 讯框栏位。常见栏位包含：Frame type、Encryption、Acknowledgement、Frame pending、Inter/Intra PAN、Addressing fields、destination and source addressing modes、sequence number、Destination PAN identifier、Destination MAC address、Source PAN identifier，与 Source MAC address。

a生器减损

由於着力、功率，与资本之间时常必须有所取危因此 ZigBee 收发器必须以相对较低的调变品性进行功课。但是，ZigBee 收发器测试功课却也形成另 1 谈贫寒。当实施测试时，践诺室必须模拟严苛环境，以确保收发器可达到着力规格，并可相容於 IEEE 802.15.4 标省WiPAN LVSG 软体可套用多种减损情形，以测试成就互通性 (Interoperability)，以了解传输功课的过失与实体通谈的问题。并可新增特定减损，包含：无顾虑非线性 (Memoryless nonlinearity)、AWGN、频率偏移、DC 偏移、I/Q 增益失衡、相位差诬陷，与相位杂讯。

无顾虑非线性 (Memoryless Nonlinearity)

如功率放大器的元件即属於非线性，且可能於传输讯号中形成失真。一般来说，由於非线性将於振幅中抓续a生波动，因此调变讯号终点容易受到影响。还好，ZigBee 装配均使用 OQPSK 调变架构，a生失真实机率均低於最渊博的调变架构。但是，又由於功率需求的关S，ZigBee 收发器时常必须投合功率放大器进行瞎想，而常形成过溢 (Saturation) 情形。榱怂得鞔烁拍睿咱们於下图中露馅功率放大器的基本模拟模子。

图 9. 瞎想欠佳的功率放大器常发生过溢情形。

当功率放大器达到满溢点时， Tx 讯号即可能发生严重的失真。因此，汲取器磨真金不怕火功课即必须模拟此项 ZigBee 收发器秉性。

加成性高斯白杂讯 (Additive White Gaussian Noise，AWGN)

加成性高斯白杂讯 (AWSN)，樽钇毡榈 Tx 讯号讯噪比 (SNR) 模拟方式。若能按捺 SNR，则可立即影响相位与振幅的嗜范取Ｍ腹星座图，即可明晰看到 AWGN 所形成的符码扩散 (Symbol spreading)。下图即露馅此气候。

图 10. 包含 25 dB Eb/N0 的 ZigBee 传输功课。

由於 SNR 将与传输距离成反比，因此 ZigBee 若进行长距离传输功课，将按捺汲取器的 EVM。一如图 3 中所示，较高的 EVM 将陶冶位元装假的可能性，并按捺合座系统着力。

频率偏移 (Frequency Offset)

Tx 与 Rx 局部震U器此 2 组不同的装配，若以些微不同的频率进行操作，即会发生频率偏移的情形。RF 讯号若发生频率偏移，则将於基频波形中形成细微的载波偏移。一般来说，若基频波形发生小幅的载波偏移，则可透过讯号处理运算式移除之。因此，只好将细微的载波偏移套用至测试激源中，即可於瞎想磨真金不怕火阶段测试此项秉性。若欠妥善处理频率偏移，则将形成汲取器无法以传输讯号进行载波锁定 (Carrier lock)。

DC 偏移

DC 偏移 ZigBee 传输器的基频 I 与 Q 输出常见问题。此减损气候可能形成载波漏，进而影响调变讯号的品性。同期导致汲取器的 EVM 升高，并a生位元装假。榱艘详情汲取器可妥善处理 DC 偏移，则必须於瞎想磨真金不怕火阶段套用此减损气候。

I/Q 增益失衡 (Gain imbalance)

I/Q 增益失衡属於基频减损，将影响调变讯号的品性。咱们可透过星座图不雅察到增益失衡。如同下图所示，I/Q 增益失衡即於星座图中呈水平或垂直蔓延。

母狗 拳交

图 11. 此 6 dB L期性增益失衡的星座图。

如同上图所示，该气候属於L期性增益失衡，即依期於星座图的水平轴与垂直轴上蔓延。在图 11 中，该增益设定以 6 dB 的幅度依期变化。若针对 RF 建置径直升诊疗功课，则增益失衡极有可能a生影响。此气候启事於基频子系统 I 与 Q 输出之间的振幅落差 (Amplitude disparity)，并可能由於汲取器的 EVM 而陶冶其强度。

相位差诬陷 (Quadrature skew)

相位差诬陷是由不精准的 Quadrature-phase LO 所形成。在理念念的径直降诊疗系统中，同相 (In-phase) 与 4 相位 (Quadrature-phase) LO 元件，应槿肥档 90 度反相位 (Out of phase)。但是，只好理念念值出现些微纰缪，则可能影响解调基频波形的相位与振幅。此气候即如上方图 6 的星座图所示。如该图所示，由於 EVM 升高，因此所回传的符码均稍许诬陷出该理念念位置。

相位杂讯 (Phase noise)

相位杂讯是因局部震U器发生装假，所形成的减损气候。咱们可先将相位杂讯念念像檎弦弧线所发生的须臾抖动。在频域 (Frequency domain) 中，此抖动将形成载波的「扩散 (Spreading)」;并针对所需的中央频率来说，其功率所a生的频率将形成偏移。下图即露馅此气候。

图 12. 相位杂讯将跨左近频率以扩散 LO 的功率。

如图 12 所示，一般只好透过载波不同频率偏移的功率强度，即可测得相位杂讯。天然不同的频率偏移均可指定相位杂讯，不外元件之间最渊博的公定比较功课均使用 10 KHz 偏移。

若将抖动加入至调变讯号的时域中，则相位杂讯亦将形成解调基频波形的相位不定性 (Uncertainty)。在星座图中，只好注意符码的扩散情形与星座图的参数，即可发现相位杂讯。

自动化 ZigBee 的相容性测试

到现在橹梗咱们永别筹划了量测功课与减损气候，以进一步了解 ZigBee 装配的汲取/传输着力与秉性。但是，ZigBee 装配更可同期进行传输与汲取 (收发器) 的功能。也因此 ZigBee 收发器的生a测试，必须同期进行此 2 项功能。Seasolve 公司的 Automated Compliance Testing 软体，可提供 Tx 与 Rx 的测试序列，以透过 IEEE 802.15.4 标剩速即标定 DUT 的相容性与着力。此软体除了可实施上述的多项测试功课以外，并提供测试扫尾的详备报表。

这些测试功能均最好化其速率，以裁减测试时候;并透过多家顶端u造商的 RF 晶片，磨真金不怕火其精准度。咱们无法於此逐个胪陈测试功课的细节，仅於下方列出常见的测试参数：

PLL 频率测试

TX 增益测试

混附辐射 (Spurious Emission) 测试

相位杂讯测试

IQ 量测功课

功率频谱密度

载波禁锢 (Carrier Suppression) 测试

局部震U器漏 (LO Leakage)

PER 与 BER 测试

左近 (Adjacent)/替代 (Alternate) 通谈根绝

最大输入功率测试

论断

天然 ZigBee 标士Ш (Mesh) 与随建即连 (Ad hoc) 网路的低功率通信绝佳机制麻豆 91，却也形成多项测试贫寒。还好，Seasolve 公司的 WiPAN LVSA、LVSG，与 ACT 软体，进一步整合了 PXI 仪控，以料理此哄骗挑战。只好透过合适的软体与硬体，即可进行多项 Tx 与 Rx 量测，并让 ZigBee 装配可十足相容於 IEEE 802.15.4 标剩且可互通其他装配。