無線數(shù)據(jù)通信ZigBee測量解決方案.doc

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無線數(shù)據(jù)通信ZigBee測量解決方案 無線網(wǎng)絡(luò)是一個龐大的家族，各種無線技術(shù)有著不同的應(yīng)用，發(fā)展至今，無線網(wǎng)絡(luò)也各不相同。和藍(lán)牙技術(shù)一樣，ZigBee也是一種短距離無線通信技術(shù)。 作為低傳輸數(shù)據(jù)速率下的各種電子設(shè)備之間的無線通信技術(shù)，ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無線通訊技術(shù)的名稱。ZigBee過去又稱為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)一稱為ZigBee技術(shù)。 ZigBee相關(guān)技術(shù)及測試需求 根據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee工作的頻段是免費(fèi)開放的，分別為2.4GHz（全球）、915MHz（美國）和868MHz（歐洲），根據(jù)頻段不同，采用了不同的技術(shù)，如表1所示： 表1 IEEE 802.15.4頻帶寬度、調(diào)制類型和脈沖成型濾波器 在3個不同頻段，都采用相位調(diào)制技術(shù)，2.4GHz采用較高階的OQPSK調(diào)制技術(shù)以達(dá)到250kbit/s的速率，并降低工作時間，以減少功率消耗。相比較2.4GHz頻段，868MHz/ 915MHz為低頻段，采用BPSK的調(diào)制技術(shù)，無線傳播的損失較少，傳輸距離較長。 868MHz/915MHz頻段使用較為常用的RRC濾波器，絕大多數(shù)信號源和頻譜儀都可以簡單完成。而2.4GHz頻段的ZigBee使用的是半正弦成型濾波器，方程式如下： 對于2.4GHz的物理層，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了數(shù)據(jù)流的映射、擴(kuò)頻和調(diào)制流程圖如圖1： 圖1 映射、擴(kuò)頻方框圖 每4個bit映射為1個符號（共16個符號），每1個符號映射為32個碼序列，每個碼序列都是一組偽隨機(jī)序列PN。OQPSK是在QPSK基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種恒包絡(luò)數(shù)字調(diào)制技術(shù)。這種形式的已調(diào)波具有兩個主要特點(diǎn)，其一是包絡(luò)恒定或起伏很小；其二是已調(diào)波頻譜具有高頻快速滾降特性，或者說已調(diào)波旁瓣很小，甚至幾乎沒有旁瓣。 根據(jù)IEEE 802.15.4測試規(guī)范，ZigBee系統(tǒng)的測試主要使用信號源、頻譜儀等。R&S提供上述的所有儀表及相應(yīng)的選件。首先，將ZigBee待測指標(biāo)分類，如表2： 表2 ZigBee待測指標(biāo) R&S關(guān)于ZigBee的測試解決方案 R&S（羅德與施瓦茨公司）提供一系列的方案以滿足不同的ZigBee測試需求，包括信號產(chǎn)生方案和信號分析方案（見表3和表4）。 表3 R&S公司的任意矢量信號產(chǎn)生方案 表4 R&S公司的任意矢量調(diào)制信號分析解決方案 根據(jù)無線數(shù)據(jù)通信ZigBee設(shè)備的組成，R&S還提供發(fā)射測試和接收測試相應(yīng)解決方案，圖2是根據(jù)收發(fā)天線進(jìn)行收發(fā)測試的框圖結(jié)構(gòu)： 圖2 ZigBee收發(fā)測試框圖 通過使用頻譜儀接收來自ZigBee的發(fā)射信號和信號源發(fā)射供ZigBee工作的射頻信號完成ZigBee發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的測試，下面詳細(xì)介紹ZigBee的發(fā)射測試和接收測試。 1．發(fā)射測試 ZigBee測試規(guī)范主要依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，R&S公司提供符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的發(fā)射機(jī)測試方案，R&S的高性能頻譜分析儀結(jié)合任意解調(diào)選件FS-K70可全面測試相關(guān)項(xiàng)目，并可優(yōu)化參考電平和衰減，免去用戶手動調(diào)整的煩惱。除按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的自動測試外，該系列選件也允許用戶改變?nèi)魏我豁?xiàng)參數(shù)以便滿足用戶特殊的測試需求。根據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee待測指標(biāo)分為射頻指標(biāo)和調(diào)制質(zhì)量分析兩大類： v 射頻測試：可直接在頻譜模式下完成，包括：鄰道功率泄漏比、雜散發(fā)射、發(fā)射功率及Power Rise/Fall等指標(biāo)。R&S公司的頻譜儀具有標(biāo)配的射頻測試功能，可自定義ACLR模板及雜散發(fā)射模板等，能方便地完成ZigBee的射頻功能測試，如：鄰道功率泄漏比：定義為發(fā)射功率與相鄰RF信道接收機(jī)濾波器后所測功率之比。 v 調(diào)制質(zhì)量分析：是在一個給定時刻理想無誤差信號與實(shí)際發(fā)射信號的向量差。R&S 矢量分析儀FSQ/FSG/FSV/FSU等具有任意矢量信號分析功能，以FSQ為例：FSQ具有標(biāo)準(zhǔn)28MHz 解調(diào)帶寬，經(jīng)擴(kuò)展后可寬達(dá)120MHz，IQ采樣點(diǎn)存儲深度高達(dá)705M，分析過程采用數(shù)字信號處理器硬件直接完成。其FS-K70及擴(kuò)展解調(diào)帶寬功能原理框圖，如圖3所示： 圖3 FSQ-K70選件原理框圖 選件FSQ-K70可以對各類數(shù)字調(diào)制信號進(jìn)行分析，如MSK、PSK（包括OQPSK）、QAM等調(diào)制方式，獲得分析結(jié)果，例如EVM，頻率誤差，相位誤差，IQ不理想性、眼圖等，如圖4所示。 由于FSQ-K70可自定義濾波器設(shè)置，因此，對于2.4GHz的ZigBee信號來說，可先導(dǎo)入Matlab設(shè)計(jì)的Half-Sine濾波器，這樣，F(xiàn)SQ-K70就可方便地完成調(diào)制質(zhì)量的分析，包括：EVM、星座圖誤差及發(fā)射機(jī)中心頻率容忍度等測試。如： 調(diào)制質(zhì)量：可通過在測試中加入EL（Evaluation Line），對特定部分的信號進(jìn)行分析， 如圖5中的紅線區(qū)域部分EL1~EL2；圖5下所示為自定義脈沖成型濾波器的測試結(jié)果： 圖5 ZigBee調(diào)制準(zhǔn)確性測試 2. 接收測試 接收機(jī)測試的目的是為了評估無線數(shù)據(jù)通信接收部分整體的性能是否符合設(shè)計(jì)和驗(yàn)收要求。一般情況下，測試端口位于射頻輸入端口，采用標(biāo)準(zhǔn)信號源產(chǎn)生射頻測試信號，饋入接收機(jī)，然后使用PC完成對ZigBee輸出碼流的計(jì)算以對接收機(jī)性能進(jìn)行評估。 v 信號產(chǎn)生：R&S提供WinIQSIM軟件，可選擇OQPSK調(diào)制方式及符號速率等參數(shù)進(jìn)行特定數(shù)據(jù)的編輯。 v ZigBee幀結(jié)構(gòu)設(shè)置：在WinIQSIM軟件中，可方便地通過數(shù)據(jù)編輯器進(jìn)行ZigBee幀結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，如圖6所示： 圖6 ZigBee幀結(jié)構(gòu)編輯 羅德與施瓦茨公司是歐洲最大的電子測量儀器生產(chǎn)廠商，一直活躍在測試與測量、信息及通信技術(shù)領(lǐng)域中，本文著重介紹任意矢量信號的產(chǎn)生方案、任意矢量信號的分析方案以及ZigBee技術(shù)的測試方案。 作為全球領(lǐng)先的測試與測量設(shè)備廠商，R&S公司時刻關(guān)注著無線數(shù)據(jù)通信的發(fā)展，目前可提供ZigBee信號產(chǎn)生和信號分析的全套解決方案——信號源+頻譜儀。信號源能夠產(chǎn)生靈活配置的ZigBee矢量調(diào)制信號，頻譜儀可對ZigBee矢量調(diào)制信號進(jìn)行調(diào)制域、頻域、時域測量及分析。 參考文獻(xiàn) [1] IEEE Standard 802.15.4-2003 [2] Rohde & Schwarz Application Note（RSI03_0e） [3] Rohde & Schwarz Application Note（1EF55_2E） [4] Vector Signal Generator R&S SMU200A Specifications [5] Vector Signal Generator R&S SMJ100A Specifications [6] Vector Signal Generator R&S SMBV100A Specifications [7] Spectrum Analyzer R&S FSQ Specifications [8] Spectrum Analyzer R&S FSU Specifications [9] Spectrum Analyzer R&S FSV Specifications