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R&S公司的無線數(shù)據通信ZigBee測量解決方案
電信網技術
甘秉鴻
摘要: 根據IEEE 802.15.4的標準需求以及ZigBee的基本原理的介紹,全面介紹了羅德與施瓦茨公司對無線數(shù)據通信ZigBee完整而成熟的測試解決方案。
關鍵詞: 無線網絡 R&S ZigBee
Abstract:
Key words :

1  引言

無線網絡是一個龐大的家族,各種無線技術都有不同的應用。發(fā)展至今,無線網絡也各不相同。與藍牙技術一樣,ZigBee也是一種短距離無線通信技術。

作為低傳輸數(shù)據速率下的各種電子設備之間的無線通信技術,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的名稱。ZigBee過去又稱為“HomeRF Lite”,“RF-EasyLink”或“FireFly”無線電技術,目前統(tǒng)一稱為ZigBee技術。

2  ZigBee相關技術及測試需求

根據IEEE 802.15.4標準,ZigBee工作的頻段是免費開放的,分別為2.4GHz(全球),915MHz(美國)和868MHz(歐洲),根據頻段的不同,采用了不同的技術(見表1)。

表1  IEEE 802.15.4頻帶寬度、調制類型和脈沖成型濾波器

在3個不同頻段,都采用相位調制技術,2.4GHz采用較高階的OQPSK調制技術以達到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,868/ 915MHz為低頻段,采用BPSK的調制技術,無線傳播的損失較少,傳輸距離較長。

868/915MHz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,標準規(guī)定了數(shù)據流的映射、擴頻和調制流程圖(見圖1)。

圖1  映射、擴頻方框圖

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序列PN。OQPSK是在QPSK基礎上發(fā)展起來的一種恒包絡數(shù)字調制技術。這種形式的已調波具有兩個主要特點,其一是包絡恒定或起伏很??;其二是已調波頻譜具有高頻快速滾降特性,或者說已調波旁瓣很小,甚至幾乎沒有旁瓣。

根據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的選件。首先,將ZigBee待測指標分類,具體參見表2。

表2  ZigBee待測指標

3  R&S針對ZigBee的測試儀器介紹

R&S提供了一系列的儀器以滿足不同的ZigBee測試需求,下面簡單介紹一下本文中提到的測試儀器,包括信號產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生方案

表4   R&S公司的任意矢量調制信號分析解決方案

4  R&S關于ZigBee的測試解決方案

根據無線數(shù)據通信ZigBee設備的組成,R&S提供發(fā)射測試和接收測試相應解決方案,圖2是根據收發(fā)天線進行收發(fā)測試的框圖結構。

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)射機和接收機的測試,下面詳細介紹ZigBee的發(fā)射測試和接收測試。

4.1  發(fā)射測試

ZigBee測試規(guī)范主要依據IEEE 802.15.4標準,R&S公司提供符合IEEE 802.15.4標準規(guī)定的發(fā)射機測試方案,R&S的高性能頻譜分析儀結合任意解調選件FS-K70可全面測試相關項目,并可優(yōu)化參考電平和衰減,免去用戶手動調整的煩惱。除按照標準設定的自動測試外,該系列選件也允許用戶改變任何一項參數(shù)以便滿足用戶特殊的測試需求。

根據IEEE 802.15.4標準,ZigBee待測指標分為射頻指標和調制質量分析兩大類:

(1)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。R&S公司的頻譜儀都具有標配的射頻測試功能,可自定義ACLR模板及雜散發(fā)射模板等,因此,可方便地完成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信道接收機濾波器后所測功率之比。R&S的系列頻譜儀都可以提供頻域的ACLR測試,具體參見圖3。

圖3   ACLR測試結果

(2)調制質量分析:是在一個給定時刻理想無誤差信號與實際發(fā)射信號的向量差。R&S提供基于FS-K70的矢量信號解調選件。

R&S 矢量分析儀FSQ/FSG/FSV/FSU等都具有任意矢量信號分析功能,下面以FSQ為例:FSQ具有標準28MHz 解調帶寬,經擴展后可寬達120MHz,IQ 采樣點存儲深度高達705M,分析過程采用數(shù)字信號處理器硬件直接完成。其FS-K70及擴展解調帶寬功能原理框圖參見圖4。

圖4   FSQ-K70選件原理框圖

選件FSQ-K70 可以對各類數(shù)字調制信號進行分析,如MSK,PSK(包括OQPSK),QAM等調制方式,獲得分析結果,例如EVM,頻率誤差,相位誤差,IQ不理想性、眼圖等,具體參見圖5。

圖5  FS-K70測量顯示窗口

 由于FSQ-K70可自定義濾波器設置,因此對于2.4GHz的ZigBee信號來說,可先導入Matlab設計的Half-Sine濾波器,這樣FSQ-K70就可方便地完成調制質量的分析,包括EVM,星座圖誤差及發(fā)射機中心頻率容忍度等測試。如調制質量:可通過在測試中加入EL(Evaluation Line),對特定部分的信號進行分析,圖6所示為自定義脈沖成型濾波器的測試結果。

圖6  ZigBee調制準確性測試

4.2  接收測試

接收機測試的目的是為了評估無線數(shù)據通信接收部分整體的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,采用標準信號源產生射頻測試信號,饋入接收機,然后使用PC完成對ZigBee輸出碼流的計算以對接收機性能進行評估。

信號產生:R&S提供WinIQSIM軟件,可選擇OQPSK調制方式及符號速率等參數(shù)進行特定數(shù)據的編輯,具體參見圖7;ZigBee幀結構設置:在WinIQSIM軟件中,可方便地通過數(shù)據編輯器進行ZigBee幀結構的數(shù)據進行編輯,具體參見圖8。

圖7  WinIQSIM數(shù)據編輯

圖8  ZigBee幀結構編輯

5  結束語

羅德與施瓦茨公司(Rohde & Schwarz )是歐洲最大的電子測量儀器生產廠商,一直活躍在測試與測量、信息及通信技術領域中,本文著重介紹任意矢量信號的產生方案、任意矢量信號的分析方案以及ZigBee技術的測試方案。

作為全球領先的測試與測量設備廠商,R&S公司時刻關注著無線數(shù)據通信的發(fā)展,目前可提供ZigBee信號產生和信號分析的全套解決方案——信號源+頻譜儀。信號源能夠產生靈活配置的ZigBee矢量調制信號,頻譜儀可對ZigBee矢量調制信號進行調制域、頻域、時域測量及分析。

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