ZigBee系統結構與射頻性能分析及其射頻測試方法

ZigBee 技術(shù)是一種具有統一標準的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。其命名來(lái)自于人們對蜜蜂采蜜過(guò)程中跳“Z”字舞的觀(guān)察。蜜蜂體積小，所需能量小，又能傳送采集的花粉，因此人們用ZigBee 代表成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。本文對ZigBee 網(wǎng)絡(luò )的結構進(jìn)行了介紹，對ZigBee射頻性能進(jìn)行了分析，并對ZigBee射頻測試的方法進(jìn)行了討論。

1 引言

ZigBee 作為將對21 世紀產(chǎn)生巨大影響的新技術(shù)之一，與傳統網(wǎng)絡(luò )相比，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一種以數據為中心的自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，具有可快速臨時(shí)組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò )拓撲結構可動(dòng)態(tài)變化、抗毀性強、無(wú)需架設網(wǎng)絡(luò )基礎設施等特點(diǎn)?；谶@些特點(diǎn)，ZigBee 被廣泛應用于軍事、環(huán)境監測、智能家居、建筑物狀態(tài)監控、復雜機械監控、城市交通、空間探索，以及機場(chǎng)、大型工業(yè)園區的安全檢測等領(lǐng)域。環(huán)境監測是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用的一個(gè)方面，傳感器網(wǎng)絡(luò )在環(huán)境監測領(lǐng)域具有非常明顯的優(yōu)勢，可以為實(shí)現更加準確、數據量更大、對環(huán)境影響更小的環(huán)境監測提供一個(gè)全新的手段。

ZigBee 技術(shù)以其低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò )容量大、傳輸時(shí)延短和可靠性高等特點(diǎn)，在環(huán)境監測、智能家居、樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛應用。

2 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)及其網(wǎng)絡(luò )結構

(1)ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)

●低功耗：由于ZigBee 的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee 設備非常省電。據估算，ZigBee 設備僅靠?jì)晒? 號電池就可以維持長(cháng)達2 年左右的使用時(shí)間，這是其它無(wú)線(xiàn)設備望塵莫及的。

●成本低：ZigBee 模塊的初始成本在6 美元左右，估計很快就能降到1.5~2.5 美元，并且ZigBee 協(xié)議是免專(zhuān)利費的。低成本對于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。

●時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設備時(shí)延為30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設備信道接入的時(shí)延為15ms。因此，ZigBee 技術(shù)適用于對時(shí)延要求苛刻的無(wú)線(xiàn)控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應用。

●網(wǎng)絡(luò )容量大：一個(gè)星型結構的ZigBee 網(wǎng)絡(luò )最多可以容納254 個(gè)從設備和一個(gè)主設備，而且網(wǎng)絡(luò )組成靈活。

●可靠：采取了碰撞避免策略(CSMA-CA)，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專(zhuān)用時(shí)隙，避開(kāi)了發(fā)送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過(guò)程中出現問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā)。

●安全：ZigBee 提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用了AES-128 的加密算法，各個(gè)應用可以靈活確定其安全屬性。

(2)ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的設備和網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

按設備的功能強弱劃分為全功能設備(FFD)和精簡(jiǎn)功能設備(RFD)。

●全功能設備有更多的存儲器、計算能力，具有全部802.15.4 功能和所有特性。有控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。

●精簡(jiǎn)功能設備僅附帶有限的功能來(lái)控制成本和復雜性，只作為終端設備使用，使用小內存、小協(xié)議棧，實(shí)現簡(jiǎn)單。

按設備在網(wǎng)絡(luò )中的作用劃分為Zig-Bee 協(xié)調器、ZigBee 路由器和ZigBee 終端設備。

●ZigBee 協(xié)調器處于網(wǎng)絡(luò )頂層，它總是處于工作狀態(tài)，有穩定可靠的電源供給。包含所有的網(wǎng)絡(luò )信息，是3 種設備中最復雜的一種，存儲容量大、計算能力強。能發(fā)送網(wǎng)絡(luò )信標、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò )、管理網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)、存儲網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)信息等。它們只能由FFD承擔。

●ZigBee 路由器必須具備數據的存儲和轉發(fā)能力及路由發(fā)現能力。除完成應用任務(wù)外，還必須支持其子設備的連接、路由表的維護等。它們只能由FFD承擔。

●ZigBee 終端設備結構和功能最簡(jiǎn)單，用電池供電，大部分時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，最大程度地節約電能，延長(cháng)電池壽命?？梢杂蒄FD 承擔，但主要還是由RFD承擔。

IEEE 802.15.4/ZigBee 協(xié)議中明確定義了3 種拓撲結構，即星型結構(Star)、簇樹(shù)結構(ClusterTree)和網(wǎng)狀結構(Mesh)，具體參見(jiàn)圖1。

圖1 幾種基本的網(wǎng)絡(luò )模型

在星狀拓撲中，網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)協(xié)調器控制。協(xié)調器要負責初始化并維護網(wǎng)絡(luò )以及網(wǎng)絡(luò )中的所有其他設備，這些設備均作為終端設備直接與協(xié)調器通信。在Mesh 或簇樹(shù)網(wǎng)絡(luò )中，協(xié)調器負責啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )并設置某些關(guān)鍵參數，但是網(wǎng)絡(luò )可以通過(guò)路由器進(jìn)行擴展。在簇樹(shù)網(wǎng)絡(luò )中，路由器采用分級路由策略傳送數據和控制信息。樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )通常使用基于信標的通信模式。Mesh網(wǎng)絡(luò )允許完全的點(diǎn)對點(diǎn)通信，在Mesh 網(wǎng)絡(luò )中路由器不會(huì )發(fā)送常規IEEE802.15.4 信標。

3 ZigBee射頻測試主要內容及分析

ZigBee 的測試規范主要依據IEEE 802.15.4 標準對整機性能進(jìn)行測試。整機性能測試包括發(fā)射機和接收機性能測試。發(fā)射機射頻的主要需求分為兩部分：保證有用信道中發(fā)射信號的質(zhì)量和防止來(lái)自于無(wú)用發(fā)射的頻率分量。接收機應具有對抗大范圍干擾信號的能力，從而保證有用信號可靠解調，并避免傳輸的過(guò)度敏感。下面詳細介紹ZigBee的發(fā)射測試和接收測試。

(1)發(fā)射機測試

發(fā)射機測試原理：分析發(fā)射機發(fā)射信號，首先要用一個(gè)理想的接收機把發(fā)射信號變成數字的基帶信號。然后在數字中進(jìn)行信號處理，得出相應的指標。實(shí)際測試時(shí)，一般利用高性能的頻譜儀或信號分析儀作為理想的接收機。經(jīng)過(guò)理想接收機并AD轉換后得到IO數據，對這些數據進(jìn)行一系列的脈沖成形濾波、內插、抽取就會(huì )得到初始的測量信號，然后還需要對測量信號進(jìn)行幅度、相位和頻率，以及時(shí)間的修正以得到修正測量信號，然后對測量信號進(jìn)行解擾、解擴、解調、再調制、再擴頻、再加擾，經(jīng)過(guò)成形濾波器就得到了參考信號，最后通過(guò)修正測量信號和參考信號的比較計算就得到了信道內測量的各個(gè)指標。

對于發(fā)射機，在發(fā)射機測試指標里主要包括如下測試項目：

●發(fā)射機信號輸出功率

發(fā)射機發(fā)射功率應不干擾其他設備和系統，因此ZigBee 的輸出功率一定要滿(mǎn)足指標要求。不同地區的最大發(fā)射功率在相應的頻段上是不同的，在中國最大發(fā)射功率為10mW(EIRP)。

●功率升降

●頻譜發(fā)射模板

對于無(wú)線(xiàn)數據通信ZigBee 來(lái)說(shuō)，發(fā)射機的頻譜發(fā)射模板及雜散發(fā)射特性直接影響其對現存的無(wú)線(xiàn)電業(yè)務(wù)造成干擾。發(fā)射機頻譜功率應低于規定的限值，在我國頻譜功率模板限值如表1 所示。對于相對限值和絕對限值，平均功率譜均值的測量均采用100kHz 的分辨率帶寬。對于相對限值參考功率為中心頻率fc±600kHz最高的平均功率譜密度。

表1 最大發(fā)射功率狀態(tài)發(fā)射雜散

●發(fā)射雜散

發(fā)射機雜散輻射是由于非期望的發(fā)射機現象引起的(例如諧波輻射、寄生輻射、互調產(chǎn)物)，但是不包括帶外輻射。雜散輻射限值僅限于從信道邊緣開(kāi)始計算，大于有用帶寬2.5 倍的頻率范圍。為了改善測量精度、靈敏度和效率，分辨率帶寬可以小于測量帶寬。

●中心頻率容限

發(fā)射中心頻率容忍度應在頻率最大值的±40ppm范圍內。

●星座圖誤差

●誤差矢量幅度(EVM)

EVM指的是誤差向量(包括幅度和相位的失量)，表征在一個(gè)給定時(shí)刻理想無(wú)誤差基準信號(物理層規范參考信號)與實(shí)際發(fā)射信號的向量差(見(jiàn)圖2)。從EVM參數中，我們可以了解到一個(gè)輸出信號的幅度誤差和相位誤差。

圖2 誤差矢量計算

圖2 誤差矢量計算EVM是衡量一個(gè)RF 系統總體調制質(zhì)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，用來(lái)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(huì )有影響。發(fā)射機調制的準確度決定于EVM 的測量。當測量1000 碼片時(shí)發(fā)射機的EVM應小于35%。接收到的實(shí)際發(fā)送信號應在接收系統恢復后的基帶IQ碼片上測量。

(2)接收機測試

接收機測試原理：接收機測試目的是為了評估無(wú)線(xiàn)數據通信接收部分整體性能是否符合設計和驗收要求。一般情況下測試端口位于射頻輸入端口，采用標準信號源產(chǎn)生射頻測試信號，饋入接收機，然后對輸出碼流進(jìn)行測試以對接收機性能進(jìn)行評估。

在接收機測試指標里主要包括如下測試項目：

●符號錯誤容限

在我國采用780MHz 頻段O-QPSK/MPSK 調制的物理層符號速率應為62.5ksymbol/s，此時(shí)符號精度為± 40ppm。

●接收機靈敏度

接收機靈敏度是指滿(mǎn)足一定的接收包錯誤率的情況下，接收機的最小輸入功率。在滿(mǎn)足表2 條件下設備具有達到-85dBm或更好的靈敏度。

表2 接收機要求

●最大輸入電平

接收機的最大輸入電平是接收機期望信號在接收機輸入端，滿(mǎn)足表2 要求的最大輸入功率。接收機的最大輸入電平應大于等于-20dBm。

●接收機阻塞

阻塞特性指的是在期望信道之外存在干擾信號的情況下，干擾信號使接收有用信號質(zhì)量下降幅度不超過(guò)接收機PER限值，即PEB

4 ZigBee 射頻參考測試方案

ZigBee 終端的射頻測試系統由無(wú)線(xiàn)測試儀、頻譜儀和信號發(fā)生器組成硬件平臺，在此基礎上采用GPIB或LAN口進(jìn)行系統控制，在主控計算機上開(kāi)發(fā)測試軟件，最終實(shí)現全自動(dòng)測試。

●無(wú)線(xiàn)測試儀：支持ZigBee 信令模式，支持IEEE802.15.4 規定的物理層特性的ZigBee信號。

●矢量信號源：支持IEEE 802.15.4 規定的物理層特性的ZigBee信號。

●頻譜分析儀：支持ZigBee 終端頻譜測試和雜散測試，帶寬要達到30MHz～12.75GHz。

發(fā)射機測試原理圖如圖3 所示，ZigBee 發(fā)射信號進(jìn)入矢量信號分析儀，測量各個(gè)發(fā)射機指標。

圖3 發(fā)射機測試原理圖

普通接收機測試原理圖如圖4 所示，矢量信號發(fā)生器產(chǎn)生標準ZigBee 信號傳送給ZigBee 組件接收機，ZigBee 產(chǎn)生ACKFrame 確認接受。矢量信號分析儀分析ACK是否符合標準。

圖4 接收機原理測試圖

接收機阻塞原理圖如圖5 所示，矢量信號發(fā)生器1產(chǎn)生主要信號，矢量信號發(fā)生器2 產(chǎn)生鄰信道干擾信號發(fā)送給待測件，測試接收機阻塞性能。

圖5 接收機阻塞原理測試圖

5 結束語(yǔ)

ZigBee 預計到2015 年國內物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規模將達到7500 億元，年復合增長(cháng)率超過(guò)30%。智慧城市建設成為運營(yíng)商推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的重要落腳點(diǎn)。此外，工業(yè)和信息化部和財政部已設專(zhuān)項資金用以支持物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。據悉，2013 年投入的專(zhuān)項資金支持預算較2012 年有所增長(cháng)，將超過(guò)5 億元。業(yè)內人士預計未來(lái)10 年內物聯(lián)網(wǎng)會(huì )大規模普及，其產(chǎn)業(yè)規模將遠超互聯(lián)網(wǎng)。由此可知，ZigBee 技術(shù)將會(huì )發(fā)展迅速，其未來(lái)的應用范圍也會(huì )相當的廣泛。