ZigBee 傳輸器測試的基本概念

概觀

ZigBee 楦鋈飼域網(wǎng)路 (Personal area network，PAN) 的無線標剩適用於感測器監(jiān)控與控制。此篇技術(shù)文件可了解 NI 聯(lián)盟伙伴 SeaSolve 公司所開發(fā)的 ZigBee 測試組合，包含 Transmit (Tx)、Receive (Rx)，與相容性測試。在此應用說明中，我們將針對各測試類型概述測試方式與技術(shù)。

ZigBee 就是 IEEE 802.15.4，槲尷咦爸彌間的低功率短距通訊標?。此笔归篱螌肋个蕊曈蚓W(wǎng)路 (Wireless Personal Area Network，WiPAN);該區(qū)域網(wǎng)路亦包含藍芽 (IEEE 802.15.3) 標省

ZigBee 標室閻鸞ヒ起商業(yè)與軍事a業(yè)的興趣，適用於如無線感測器網(wǎng)路、家庭自動化，與工業(yè)級控制的應用。ZigBee 標手所以會逐漸受到重視，即因 ZigBee 適用於可形成自組 (Self-forming) 與自療 (Self-healing) 的隨建即連 (Ad hoc) 網(wǎng)路或Ш (Mesh) 網(wǎng)路裝置。此方案的中央「PAN coordinator」裝置，將監(jiān)控網(wǎng)路組態(tài)的情形。在最近幾年中，感測器網(wǎng)路亦成榫事/戰(zhàn)場應用的研究主題。因此將 ZigBee 標視渺抖ㄒ Ad hoc 戰(zhàn)場智慧型方案的通訊作業(yè)，亦引起更多的注意。

ZigBee 規(guī)格之所以適用於遠端無線感測器的原因之一，即由於其低功率的 PHY 實體層 (Physical layer)。大致上來說，PHY 規(guī)格可讓 ZigBee 裝置以下列 3 種頻帶之一進行作業(yè)：868 MHz (歐洲)、915 MHz (北美)，與 2.4 GHz (世界通用)。ZigBee 收發(fā)器最常用的即 2.4 GHz 頻帶，并使用 OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keyed) 調(diào)變串流。與類似架構(gòu)相較，OQPSK 僅需較低功率亦可達到等同或較佳的傳輸率，因此成櫬統(tǒng) QPSK 的衍生架構(gòu)。OQPSK 使用 90 度的最大相位轉(zhuǎn)換 (Phase transition)，將符碼 (Symbol) 轉(zhuǎn)橄 1 個符碼。此特性可避免符碼過沖 (Overshoot)，且所需的傳輸功率略低於傳統(tǒng) QPSK 調(diào)變架構(gòu)。此設計整合 5 MHz 通道頻寬，可讓裝置以合理功率達到最高每秒 250 kb 傳輸率。

由於 ZigBee 收發(fā)器是針對低功率應用所設計，因此 PHY 實體層相對可容許較大的錯誤。事實上，該裝置可容許最高 35% 的 EVM，卻仍維持合理的位元錯誤率 (BER) 效能。因此，此系統(tǒng)需要透過更多測試方法，以進行設計檢驗作業(yè)。在下列章節(jié)中，我們將說明需要特定測試的理由，并提供高精確度測試的秘訣。

如先前所述，我們將分 3 個部分進行說明。包含：

以向量訊號分析器 (VSG) 進行傳輸器測試 (Transmitter Testing)

以向量訊號a生器 (VSA) 進行接收器測試(Receiver Testing)

以 VSA 與 VSG 進行自動化相容性測試 (Automated Compliance Testing，ACT)

ZigBee 傳輸器測試

當測試 ZigBee 收發(fā)器的 Tx 訊號品質(zhì)時，必須使用向量訊號分析器，以了解頻譜資訊與調(diào)變后的訊號品質(zhì)。其中 1 個解決方案，即是使用 SeaSolve 公司的 WiPAN LVSA Signal Analysis 工具組，搭配 PXI-5660 向量訊號分析器。透過此軟體組合，我們即可於 IEEE 802.15.4 的相容訊號中執(zhí)行頻譜與調(diào)變量測。但請謹記：此 2 種量測類型均檣杓萍煅橛肷a測試所必要。概略來說，ZigBee 傳輸器的頻譜放射 (Spectral emission) 作業(yè)，將決定其與 ISM (工業(yè)、科學，與醫(yī)療) 頻帶裝置之間的互通性。此外，Tx 訊號的調(diào)變品質(zhì)將整合天線效能，以決定該裝置可穩(wěn)定作業(yè)的距離長短。常見的測試設定即橄巒妓示。

圖 1. 傳輸器可透過直接連結(jié)或無線介面進行常見測試。

常見的頻譜量測包含：功率頻譜密度、子悶悼懟⒏ (Upper)/低 (Lower) 頻帶功率，與頻帶總功率。此外，常見的調(diào)變分析工具包含：星座圖 (Constellation plot)、眼圖 (Eye diagram)、互補累積分押數(shù) (Complementary cumulative distribution function，CCDF) 曲線，與退回的位元流 (Bitstream)。常見調(diào)變量測椋捍砦笙蛄糠度 (Error vector magnitude，EVM)、頻率偏移，與位元錯誤率 (BER)。請注意，不同的a品開發(fā)階段，均必須進行不同的量測與分析作業(yè)。舉例來說，開發(fā)的設計檢驗階段，需要如星座圖的敏銳分析工具，以針對a品設計的多種問題進行除錯。而就生a測試來說，則需要如 EVM 與頻率偏移此類屬於定義性的量測，以比較系統(tǒng)效能與測試限制。

ZigBee Tx 頻譜分析

接著將說明各項基礎頻域 (Frequency domain) 量測與其重要性。并請注意，下列每項量測均可使用頻譜分析器或向量訊號分析器。由於向量訊號分析器亦可用於調(diào)變量測 (下段將接著說明)，因此一般均推薦使用之。

功率頻譜密度(Power Spectral Density，PSD)

功率頻譜密度 (PSD) 可顯示資料封包功率分散於寬廣頻率范圍中的情形。此項量測可確保傳輸器是於 IEEE 802.15.4 標實鈉燈漬謖種兇饕?。壤_ 2 所示，頻率遮罩正與輸出功率進行比較。頻率遮罩即橥賈邪咨線條，代表傳輸器可發(fā)射至鄰近頻帶 (Adjacent band) 的功率限制。當進行裝置的除錯作業(yè)時，若濾波器設計欠佳或放大器所壓縮的影像，均可能於鄰近頻帶中造成多N的功率。

圖 2. 功率頻譜密度圖

帶中功率 (Power in Band)

帶中功率量測，將計算特定通道或頻帶中的整合功率 (dBm)。此項量測將可確保傳輸器不致超過 IEEE 802.15.2 標實墓β使娓瘛

子悶悼 (Occupied bandwidth)

子悶悼斫退回特定頻帶的頻寬，其中包含 99% 的頻展 (Span) 總功率。

鄰近通道功率(Adjacent Channel Power)

鄰近通道功率量測，將包含高 (Upper) 頻帶與低 (Lower) 頻帶中的功率。根據(jù) IEEE 802.15.4 標剩高頻帶槌向作業(yè)頻率右方的 5MHz;低頻帶槌向作業(yè)頻率左方的 5MHz。

基頻 (Baseband) 量測

基頻 (Baseband) 參數(shù)量測，將確保 ZigBee 的傳輸封包可由接收器進行解碼。由於 ZigBee 收發(fā)器即設計櫚凸β首饕擔且不需要過高的資料傳輸率，因此往往犧牲調(diào)變品質(zhì)以降低耗用功率。整體來說，量測品質(zhì)是榱似攔牢輝錯誤的可能性 (Likelihood)。以下圖槔，我們將 BER 做 EVM (%) 的函式以進行評估。

圖 3. QPSK 調(diào)變傳輸中的 BER vs. EVM

如圖所示，當 QPSK 收發(fā)器的 EVM 從 15% 提升至 30% 時，BER 將大幅增加。相對來說，大多數(shù) ZigBee 裝置在進行作業(yè)時，其 EVM 必須低於 35%。因此，量測調(diào)變的精確度更顯重要，以確保收發(fā)器能夠於該咽鴰肪持薪行有效作業(yè)。如下所述，僅需數(shù)個插槽與量測作業(yè)，即可完成該項需求。

錯誤向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)

EVM 可協(xié)助發(fā)現(xiàn)多項問題與減損 (Impairment) 處，如局部震U器 (Local Oscillator，LO) 穩(wěn)定性、中頻 (IF) 濾波器、壓縮 (Compression)、符碼率 (Symbol rate)，與干擾音頻 (Interfering tone)。透過 EVM 量測，即可了解系統(tǒng)線性度 (Linearity) 與效率。在分析程序期間，使用者可隨時檢查 EVM 是否低於 35% 的標侍囟ú慰賈擔以確保傳輸訊號的解調(diào) (Demodulation) 作業(yè)無虞。一般來說，亦可透過各符碼基礎與 RMS EVM% 量測作業(yè)得到 EVM;而后者更可針對整組封包取得 EVM 平均值。下圖即槊糠碼 EVM 量測的范例：

圖 4. 針對所傳輸 ZigBee 封包的各符碼 EVM。

星座圖(Constellation Plot)

星座圖可呈現(xiàn)解調(diào)過后的基頻波形。由於星座圖可找出如 IQ 增益失衡 (Gain imbalance)、DC 偏移、相位差歪曲 (Quadrature skew)，與其他減損，因此成檣杓萍煅榻錐巫鈧匾的圖表之一。不同於僅提供簡單數(shù)值的 EVM 量測，星座圖亦可呈現(xiàn)錯誤來源。如下圖所示，紅色代表馱 (Recovered) 符碼，而白色代表符碼傳輸。

圖 5. ZigBee 傳輸訊號的星座圖。

在星座圖中，我們可看到依圖表參數(shù)所發(fā)生的所有傳輸作業(yè) (以白色顯示)，且其并未穿過中央。此即榱磽 1 種形式的 OQPSK 結(jié)構(gòu)，且其耗用功率低於傳統(tǒng)的 QPSK 結(jié)構(gòu)。

雖然 EVM 屬於可進行減損量化 (Quantifying) 的特殊機制，但星座圖的尺寸與外型，更可清楚指出減損類型與位置。榱慫得鞔斯δ埽下方星座圖即顯示了錯誤的 Tx 訊號。

圖 6. 包含減損的 ZigBee Tx 星座圖。

在圖 6 中，我們只要觀察星座圖的基本特性，即可了解該減損的所屬類型。首先，我們可發(fā)現(xiàn)該圖是以順時的方式微微延展 (即 Θ 角小於 90 度)。透過此特性，即可了解該減損屬於相位差歪曲。換句話說，局部震U器 (LO) 的同相 (In-phase) 與 4相位 (Quadrature-phase) 元件，并非精確的 90 度反相位 (Out of phase)。雖然 EVM 可透過數(shù)值得知多項減損，但星座圖卻可進一步找出錯誤來源。

眼圖 (Eye Diagram)

眼圖亦可表示 Tx 訊號的調(diào)變特性。與星座圖相反，眼圖可檢視訊號的時域 (Time domain)，并可呈現(xiàn)其形式或通道失真。透過此量測方式，工程師可決定最佳取樣點 (Sampling point) 并進行資料解碼。分析作業(yè)期間，使用者亦可在移除偏移 (OQPSK -> QPSK) 之后，檢查訊號中的最大開口 (Eye-opening)，以檢驗解調(diào)的屬性。

資料位元數(shù)

要量化接收器效能的常見方式之一，即是進行位元錯誤率 (BER) 的量測。由於低 EVM 極少發(fā)生錯誤，因此依調(diào)變品質(zhì)的不同，BER 量測可能極楹氖?。亦因如此Ｍ对O計檢驗過程期間，進行延伸的 BER 測試。在生a測試中，亦會進行較簡短的 BER 測試。只要回傳以 1 與 0 字串所代表的解碼原始資料，即可進行 BER 量測作業(yè)。只要將這些數(shù)值與已知的傳輸作業(yè)相比較，即可計算出 BER。

互補累積分押數(shù)(CCDF)

互補累積分押數(shù) (Complementary Cumulative Distribution Function，CCDF) 可分析訊號的功率特性。根據(jù)先前所提，ZigBee 規(guī)格亦將定義 OQPSK 調(diào)變架構(gòu)的使用方式，以將所需功率壓至最低。因此，在理想狀態(tài)下，只要 Tx 可達穩(wěn)定功率，傳輸器即可達到最大功率效益。下圖即 CCDF 曲線，可觀察功率是否發(fā)生變動。此圖即代表功率并未發(fā)生變動。

圖 7. 完美的累積分押數(shù)，即代表 Tx 封包的品質(zhì)。

如圖所示，CCDF 曲線可表示高於平均功率的功率百分比。在理想條件下，CCDF 曲線的右側(cè)橥昝賴拇怪畢?。栽煻惛乐?，功率放大器可維持最高的功率效益，而不會發(fā)生過溢 (Saturation)。

ZigBee 接收器測試

ZigBee 接收器的測試需求，往往分 2 個部分：MAC Layer 模擬與實體層 (PHY Layer) 的減損測試。MAC Layer 模擬作業(yè)，將用以確認 ZigBee 接收器可適當回應所a生的指令。而減損測試作業(yè)，將持續(xù)降低測試激發(fā) (Test stimulus) 的調(diào)變品質(zhì)，藉以測試接收器。只要使用 SeaSolve 公司的 WiPAN LVSG 訊號a生解決方案，并搭配 PXI 向量訊號a生器，即可建置上述 2 項測試。下圖即說明相關(guān)測試作業(yè)。

圖 8. WiPAN 對應至 ZigBee 的協(xié)定堆迭

如上圖所示，IEEE 802.15.4 標識ㄒ辶 ZigBee 傳輸?shù)?MAC Layer 與 PHY Layer。常見的測試程序，則是以封包a生作業(yè)進行 MAC Layer 模擬;故意造成訊號減損以測試 PHY Layer。

ZigBee 訊框類型

ZigBee 傳輸作業(yè)的媒體存取控制 (Media Access Control，MAC) 層，可定義基本的封包與訊框 (Frame) 架構(gòu)。IEEE 802.15.4 規(guī)格則定義接收器測試作業(yè)的 4 種基本訊框架構(gòu)。這些訊框類型包含：

指標訊框 (Beacon frame) 可透過協(xié)調(diào)器 (Coordinator) 傳輸指標。指標封包將⒍節(jié)點，以找出附近的其他封包。

資料訊框 (Data frame) 可用於所有的資料酬載 (Payload) 轉(zhuǎn)換

認可訊框 (Acknowledgment frame) 可確認訊框接收成功

MAC 指令訊框 (Command frame) 可處理 MAC 同層實體 (Peer-entity) 的控制轉(zhuǎn)換

其中 MAC 指令訊框具有最高彈性。此外，接收器測試亦與特定子訊框有關(guān)，依類型列於下方：

Association request – 橛 PAN 協(xié)調(diào)器相關(guān)連的請求。

Association response – 樾調(diào)器以關(guān)聯(lián) (Association) 狀態(tài)做出的回覆 (可能性包含：Association Successful、PAN at capacity、Access denied)

Disassociation notification – 是由裝置或協(xié)調(diào)器所使用，可通知其他節(jié)點非關(guān)聯(lián)性 (Disassociation)。

Data request – 可自協(xié)調(diào)器索取資料。

PAN ID conflict notification – 表示發(fā)生 PAN 識別器 (Identifier) 沖突

Orphan notification- 代表關(guān)聯(lián)裝置 (Associated device) 已無法與該協(xié)調(diào)器進行同步化

Beacon request – 用於同步化，并可傳輸超訊框 (Superframe) 資訊

Coordinator realignment – 可讓協(xié)調(diào)器回覆 Orphan Notification 指令。當 PAN 屬性因邏輯通道資訊而發(fā)生變化時，亦將使用此子訊框。此子訊框可傳輸至整體 PAN 或單一的獨立 (Orphan) 裝置。

GTS request – 由關(guān)聯(lián)裝置使用，可要求分配新的保證時槽 (Guaranteed time slot，GTS)，或要求取消 PAN 協(xié)調(diào)器的現(xiàn)有 GTS 分配。此子訊框亦可定義 GTS 欄位的長度、方向，與類型。

MAC 訊框欄位設定

此外亦可設定 MAC 訊框欄位。常見欄位包含：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，與 Source MAC address。

a生器減損

由於效能、功率，與成本之間常常必須有所取危因此 ZigBee 收發(fā)器必須以相對較低的調(diào)變品質(zhì)進行作業(yè)。然而，ZigBee 收發(fā)器測試作業(yè)卻也形成另 1 道難題。當執(zhí)行測試時，實驗室必須模擬嚴苛環(huán)境，以確保收發(fā)器可達到效能規(guī)格，并可相容於 IEEE 802.15.4 標省WiPAN LVSG 軟體可套用多種減損情形，以測試設備互通性 (Interoperability)，以了解傳輸作業(yè)的缺點與實體通道的問題。并可新增特定減損，包含：無記憶非線性 (Memoryless nonlinearity)、AWGN、頻率偏移、DC 偏移、I/Q 增益失衡、相位差歪曲，與相位雜訊。

無記憶非線性 (Memoryless Nonlinearity)

如功率放大器的元件即屬於非線性，且可能於傳輸訊號中造成失真。一般來說，由於非線性將於振幅中持續(xù)a生波動，因此調(diào)變訊號特別容易受到影響。還好，ZigBee 裝置均使用 OQPSK 調(diào)變架構(gòu)，a生失真的機率均低於最普遍的調(diào)變架構(gòu)。然而，又由於功率需求的關(guān)S，ZigBee 收發(fā)器往往必須迎合功率放大器進行設計，而常造成過溢 (Saturation) 情形。榱慫得鞔爍拍睿我們於下圖中顯示功率放大器的基本模擬模型。

圖 9. 設計欠佳的功率放大器常發(fā)生過溢情形。

當功率放大器達到滿溢點時， Tx 訊號即可能發(fā)生嚴重的失真。因此，接收器檢驗作業(yè)即必須模擬此項 ZigBee 收發(fā)器特性。

加成性高斯白雜訊 (Additive White Gaussian Noise，AWGN)

加成性高斯白雜訊 (AWSN)，樽釔氈櫚 Tx 訊號訊噪比 (SNR) 模擬方式。若能降低 SNR，則可立即影響相位與振幅的嗜范取Ｍ腹星座圖，即可清楚看到 AWGN 所造成的符碼擴散 (Symbol spreading)。下圖即顯示此現(xiàn)象。

圖 10. 包含 25 dB Eb/N0 的 ZigBee 傳輸作業(yè)。

由於 SNR 將與傳輸距離成反比，因此 ZigBee 若進行長距離傳輸作業(yè)，將降低接收器的 EVM。一如圖 3 中所示，較高的 EVM 將提升位元錯誤的可能性，并降低整體系統(tǒng)效能。

頻率偏移 (Frequency Offset)

Tx 與 Rx 局部震U器此 2 組不同的裝置，若以些微不同的頻率進行操作，即會發(fā)生頻率偏移的情形。RF 訊號若發(fā)生頻率偏移，則將於基頻波形中造成輕微的載波偏移。一般來說，若基頻波形發(fā)生小幅的載波偏移，則可透過訊號處理運算式移除之。因此，只要將輕微的載波偏移套用至測試激源中，即可於設計檢驗階段測試此項特性。若不妥善處理頻率偏移，則將造成接收器無法以傳輸訊號進行載波鎖定 (Carrier lock)。

DC 偏移

DC 偏移 ZigBee 傳輸器的基頻 I 與 Q 輸出常見問題。此減損現(xiàn)象可能造成載波漏，進而影響調(diào)變訊號的品質(zhì)。同時導致接收器的 EVM 升高，并a生位元錯誤。榱艘確定接收器可妥善處理 DC 偏移，則必須於設計檢驗階段套用此減損現(xiàn)象。

I/Q 增益失衡 (Gain imbalance)

I/Q 增益失衡屬於基頻減損，將影響調(diào)變訊號的品質(zhì)。我們可透過星座圖觀察到增益失衡。如同下圖所示，I/Q 增益失衡即於星座圖中呈水平或垂直延伸。

圖 11. 此 6 dB L期性增益失衡的星座圖。

如同上圖所示，該現(xiàn)象屬於L期性增益失衡，即定期於星座圖的水平軸與垂直軸上延伸。在圖 11 中，該增益設定以 6 dB 的幅度定期變化。若針對 RF 建置直接升轉(zhuǎn)換作業(yè)，則增益失衡極有可能a生影響。此現(xiàn)象起因於基頻子系統(tǒng) I 與 Q 輸出之間的振幅落差 (Amplitude disparity)，并可能由於接收器的 EVM 而提升其強度。

相位差歪曲 (Quadrature skew)

相位差歪曲是由不精確的 Quadrature-phase LO 所造成。在理想的直接降轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，同相 (In-phase) 與 4 相位 (Quadrature-phase) LO 元件，應槿肥檔 90 度反相位 (Out of phase)。然而，只要理想值出現(xiàn)些微誤差，則可能影響解調(diào)基頻波形的相位與振幅。此現(xiàn)象即如上方圖 6 的星座圖所示。如該圖所示，由於 EVM 升高，因此所回傳的符碼均稍稍歪曲出該理想位置。

相位雜訊 (Phase noise)

相位雜訊是因局部震U器發(fā)生錯誤，所造成的減損現(xiàn)象。我們可先將相位雜訊想像檎弦曲線所發(fā)生的瞬間抖動。在頻域 (Frequency domain) 中，此抖動將造成載波的「擴散 (Spreading)」;并針對所需的中央頻率來說，其功率所a生的頻率將形成偏移。下圖即顯示此現(xiàn)象。

圖 12. 相位雜訊將跨鄰近頻率以擴散 LO 的功率。

如圖 12 所示，一般只要透過載波不同頻率偏移的功率強度，即可測得相位雜訊。雖然不同的頻率偏移均可指定相位雜訊，不過元件之間最普遍的公定比較作業(yè)均使用 10 KHz 偏移。

若將抖動加入至調(diào)變訊號的時域中，則相位雜訊亦將造成解調(diào)基頻波形的相位不定性 (Uncertainty)。在星座圖中，只要注意符碼的擴散情形與星座圖的參數(shù)，即可發(fā)現(xiàn)相位雜訊。

自動化 ZigBee 的相容性測試

到目前櫓梗我們分別討論了量測作業(yè)與減損現(xiàn)象，以進一步了解 ZigBee 裝置的接收/傳輸效能與特色。然而，ZigBee 裝置更可同時進行傳輸與接收 (收發(fā)器) 的功能。也因此 ZigBee 收發(fā)器的生a測試，必須同時進行此 2 項功能。Seasolve 公司的 Automated Compliance Testing 軟體，可提供 Tx 與 Rx 的測試序列，以透過 IEEE 802.15.4 標剩迅速標定 DUT 的相容性與效能。此軟體除了可執(zhí)行上述的多項測試作業(yè)之外，并提供測試結(jié)果的詳細報表。

這些測試功能均最佳化其速度，以縮短測試時間;并透過多家尖端u造商的 RF 晶片，檢驗其精確度。我們無法於此逐一詳述測試作業(yè)的細節(jié)，僅於下方列出常見的測試參數(shù)：

PLL 頻率測試

TX 增益測試

混附發(fā)射 (Spurious Emission) 測試

相位雜訊測試

IQ 量測作業(yè)

功率頻譜密度

載波抑制 (Carrier Suppression) 測試

局部震U器漏 (LO Leakage)

PER 與 BER 測試

鄰近 (Adjacent)/替代 (Alternate) 通道阻絕

最大輸入功率測試

結(jié)論

雖然 ZigBee 標士Ш (Mesh) 與隨建即連 (Ad hoc) 網(wǎng)路的低功率通訊絕佳機制，卻也造成多項測試難題。還好，Seasolve 公司的 WiPAN LVSA、LVSG，與 ACT 軟體，進一步整合了 PXI 儀控，以解決此應用挑戰(zhàn)。只要透過合適的軟體與硬體，即可進行多項 Tx 與 Rx 量測，并讓 ZigBee 裝置可完全相容於 IEEE 802.15.4 標剩且可互通其他裝置。