《電子技術應用》
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ZigBee測試與協(xié)議分析
來源:電子技術應用2011年第6期
致遠電子
摘要: ZigBee協(xié)議棧包括物理層協(xié)議(IEEE802.15.4)和上層軟件協(xié)議(ZigBee 2007以及其他的ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議)。本文將從這兩方面來了解這些協(xié)議,通過介紹如何捕獲及如何理解關鍵參數(shù),深層次剖析ZigBee技術。有了這些本質性的認識,對于分析解決無線產(chǎn)品應用問題,會有很大的幫助。
Abstract:
Key words :

1 前言
    ZigBee協(xié)議棧包括物理層協(xié)議(IEEE802.15.4)和上層軟件協(xié)議(ZigBee 2007以及其他的ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議)。本文將從這兩方面來了解這些協(xié)議,通過介紹如何捕獲及如何理解關鍵參數(shù),深層次剖析ZigBee技術。有了這些本質性的認識,對于分析解決無線產(chǎn)品應用問題,會有很大的幫助。
2 物理層分析
    ZigBee的物理層為IEEE802.15.4標準所規(guī)定,定義了ZigBee底層的調制編碼方式。這些規(guī)約大多是芯片設計者需要關心的,對于應用開發(fā)來說,更關心的是衡量一個芯片、一個射頻系統(tǒng)性能的參數(shù)。在過去的文章中,已介紹了輸出功率、接收靈敏度和鏈路預算等參數(shù),這一講將更深入地介紹一個調制質量的參數(shù):EVM。
    EVM指的是誤差向量(包括幅度和相位的矢量),表征在一個給定時刻理想無誤差基準信號與實際發(fā)射信號的向量差,如圖 1所示。從EVM參數(shù)中,可以了解到一個輸出信號的幅度誤差及相位誤差。

    EVM是衡量一個RF系統(tǒng)總體調制質量的指標,定義為信號星座圖上測量信號與理想信號之間的誤差,它用來表示發(fā)射器的調制精度,調制解調器、PA、混頻器、收發(fā)器等對它都會有影響。EVM數(shù)據(jù)和眼圖如圖2所示。

 

 

    了解完這個參數(shù)之后,再看看實際測試中是如何獲取EVM參數(shù)的。
    ZigBee物理層的測試,在產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和維護階段,可以分別采用不同的儀器。
    (1)產(chǎn)品研發(fā)階段
    要測量EVM參數(shù),需要使用帶協(xié)議解析的頻譜儀,最好是自帶相應協(xié)議插件的儀器,可以使用安捷倫PXA N9030A頻譜分析儀+8960B插件(選配了ZigBee分析插件)。這些儀器可以測試出ZigBee調制信號的星座圖、實時數(shù)據(jù)和眼圖等信息,在芯片級開發(fā)過程中,需要考量高頻電容電感以及濾波器等的單個及組合性能,特別需要注意的是ZigBee信號的臨道抑制參數(shù),利用PXA N9030A的高分辨率,可以查看點頻的帶外信號,這些細節(jié)在更換射頻器件供應商時,需要仔細測量,一般數(shù)字電路抄板比較容易,因為器件性能的影響不是很大,只要值和封裝對了就可以,但是射頻前端的設計上,即使原樣的封裝、容值和感值,供應商不一樣,射頻參數(shù)也是不一樣的,板材的選用也極大地影響著阻抗匹配,因此復制和再開發(fā)都有較大難度。合格的測試工具,加上有質量保證的射頻器件供應商資源,方能真正具備RF設計能力。安捷倫PXA N9030A頻譜分析儀如圖3所示。

    (2)批量生產(chǎn)階段
    在批量生產(chǎn)中,不可能將實驗室的研發(fā)測試儀器搬到工廠,因此,需要便攜小巧的測試設備,這時可用羅德與斯瓦茨公司的熱功率探頭,如NRP-Z22,做一個2.4 GHz的輸出功率測試,保證能夠輸出公差允許的功率信號即可,因為在生產(chǎn)中,射頻器件的焊接不良、饋線連接頭的接觸不良,都會造成輸出功率的下降甚至消失。需要注意的是,探頭非常容易被靜電損壞,必須要帶上防靜電手套進行操作,返修過程如需要經(jīng)過德國,則時間長,經(jīng)費也不便宜,不是很嚴重的損壞倒是可以在深圳維修中心處理。NRP-Z22如圖4所示。

    (3)應用階段
    在現(xiàn)場出現(xiàn)問題時,ZigBee節(jié)點已經(jīng)安裝到現(xiàn)場,不能逐一拆下來測試,并且周圍的電磁環(huán)境也是沒辦法在單個節(jié)點上檢測到,這時就需要手持式的頻譜儀進行現(xiàn)場勘查了,例如安捷倫公司的N9912A手持式頻譜儀。
    使用該頻譜儀,可以完成無線系統(tǒng)設計初期的現(xiàn)場勘查工作,檢測現(xiàn)場各個地點是否有異常電磁干擾,對于ZigBee來說,當然是檢測是否有持續(xù)的WIFI信號干擾了。同時,更為詳細的現(xiàn)場勘查,還包括在定點進行數(shù)據(jù)發(fā)送,預期覆蓋點進行信號強度分析,以實地評估墻體等障礙物的信號衰減,在已經(jīng)架設好的ZigBee網(wǎng)絡中,也可以檢測信號覆蓋,數(shù)據(jù)通信是否正常等。N9912A如圖5所示。

    除了以上三種場合的測試外,在調試時要用到的還包括具備信號錄制功能的信號源,將接收到的ZigBee信號錄制下來,以不同的輸出功率進行“播放”,以測試模塊的接收靈敏度,在必要的情況下,還需要專業(yè)的誤碼率測試儀,進行誤碼率測試。
3 應用層分析
    在具備合格的硬件基礎上,應用工程師往往更關心的是,我這些數(shù)據(jù)發(fā)出來了沒有?信號強度是多少?僅僅檢測到有數(shù)據(jù)發(fā)送,但是不知道是誰發(fā)給誰的也不行,因此,在應用層的分析上,需要專門的ZigBee數(shù)據(jù)分析儀,通過捕獲數(shù)據(jù)幀,我們可以看到數(shù)據(jù)幀中的每一個域的值,當然前提是數(shù)據(jù)沒有采用AES128加密方式加密。周立功公司的ZigBee分析儀如圖6所示。

    ZigBee分析軟件拆分出數(shù)據(jù)包,分析軟件會將數(shù)據(jù)包內容完整地呈現(xiàn)于Frame結構中,會在MAC PACKET結構中顯示幀類型、源地址、目的地址、序列號和數(shù)據(jù)幀內容等,這個功能在調試ZigBee路由協(xié)議?;蛘咴跈z測路由信息時,是非常必要的。
    ZigBee Analyser是針對無線ZigBee模塊開發(fā)的數(shù)據(jù)包分析儀設備,主要用于幫助用戶捕獲ZigBee通信的數(shù)據(jù)包,用于數(shù)據(jù)分析,快速尋找ZigBee組網(wǎng)時出現(xiàn)的問題所在。
    Packet Analyzer是運行在PC端、配合ZigBee Analyser分析儀的軟件,由美國CEL公司開發(fā),對分析儀提供的數(shù)據(jù)進行解析,圖形化顯示,并具有簡單的信道能量掃描功能,如圖7所示,分別是Packet Analyzer的幀列表界面、樹形幀結構界面,信道能量檢測界面和網(wǎng)絡地圖界面。

    對于客戶應用來說,只需要配備一臺ZigBee分析儀就可以滿足實際需求了,信號強度的檢測可以通過發(fā)送模塊和射頻電纜直接輸出到分析儀的天線輸入,可獲得精度為1 dbm的信號強度指示。
4 結語
    本文介紹了ZigBee無線產(chǎn)品在原理、設計、生產(chǎn)和現(xiàn)場調試當中應用到的檢測技術,也從另外一個角度去了解了ZigBee技術。俗話說,工欲善其事,必先利其器,可以看到,只要掌握了合適的測試設備和方法,應用ZigBee技術并不是非常困難的事情。
    周立功公司應用文中提到的設備和產(chǎn)品,進行產(chǎn)品設計生產(chǎn),將盡心竭力地為客戶提供極具競爭力的精品產(chǎn)品,同時也致力于ZigBee技術在國內的發(fā)展,為推動短距離無線通信技術在市場中的應用做出自己微薄的貢獻。

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