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集成ZigBee无线电设计、检定和验证方案
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作者：
Darren McCarthy
，泰克公司
受全球变暖和能源价格上升的影响，市场对智能化、基于无线电控制的设备的需求快速增长，这些装置可用于监测、控制、传讯以及自动化能源和其他资源的输送。不过这只是基于物理层无线电标准的IEEE 802.15.4技术的许多应用之一。
虽然有许多相互竞争的基于该物理层的协议，但这方面目前的全球领导者是ZigBee组织，该组织发布了涵盖从家庭自动化和智能能源到零售和电信服务，再到远程控制和输入装置等所有领域的各项标准。ZigBee协议提供了一个网状设备网络，支持覆盖大面积区域和数百个甚至数千个设备的通信。如果采用一致的实现方式，那么来自不同来源的符合ZigBee标准的设备就能无缝地相互通信。
如你所想，围绕通常带有天线并得到FCC或其他地区机构批准的裸集成电路和模块已形成了一个充满活力的行业。嵌入式产品只能与采用IEEE 802.15.4低层协议的无线电电路一起提供，并需要独立的微控制器或微处理器来处理ZigBee软件及应用。市场上有些集成电路和模块内建用于运行ZigBee或其他协议软件的微控制器。这些集成电路和模块中有许多都具有未确定用途的I/O引脚，所以完整产品可能需要内容更少一些的模块和传感器和/执行器以及一个外壳。此外，这些模块可附带功率放大器和接收器低噪声放大器（LNA）。功率放大器和低噪声放大器可显著增加无线电射程，虽然其成本和功耗皆较高。
对这些选择中任何一种选择，都需要一个印刷电路测试板来支持集成电路或模块。另外还需要具有足够大的峰值功率且不受噪声干扰的电源。如果选择了芯片级无线电，则还需要相应的天线接口电路。
随着ZigBee协议在各类嵌入式系统和应用中变得越来越常见，工程师需要能够快速而高效地确认和验证ZigBee模块性能。这一系统级任务由于射频（RF）信号的存在和需要考虑模拟、数字和射频信号的相互作用而变得更加复杂。如后文所述，一种称为混合域示波器（MDO，其名称源于其包含频谱分析电路）的新型示波器可帮助减轻ZigBee测试任务。首先，我们来看一看主要设计考虑事项及相关折衷和权衡。
ZigBee设计考量
由于最终应用各式各样且有数千种产品均可适用ZigBee技术，所以在ZigBee的世界里没有所谓的以不变应万变之说。各厂家的ZigBee无线电选件的集成度各不相同，其中即有无线电集成电路，也有带有微控制器、功率放大器、天线和低噪声放大器的完整集成式模块。由于这一多样性的存在，所以设计人员必须了解其中涉及的折衷和权衡。应当考虑的主要方面包括：
成本 — 与集成电路相比，模块在材料成本与设计和管理审批成本之间存在重大折衷。模块成本由于其需要支持元件和装配劳动而显著高于无线电集成电路，即使数量庞大也不足以改变这一事实。多出成本中的一部分源自重复的印刷电路板材料，但大部分源自模块的设计成本以及向模块生产商退货。但是，设计无线电模块和获得必需的批准的成本是很高的。对于基于集成电路的设计，ZigBee联盟测试和批准会使成本增加。经验表明，在集成集成电路和模块间的成本平衡点通常为10,000 - 25,000个单元左右。
开发时间 — 预认证模块在产品完成后即可销售。对集成电路级设计的管理审批快时为一个月，但常常需要更长时间。通常，该时间被计入开发流程，因为产品需要接近最终形式，软件也需要在批准测试开始前起作用。
形状因素 — 从集成电路开始来设计定制无线电可提供无线电电路配置方面的灵活性。对于定制设计，由于产品的整体配置，无线电电路可利用模块不能嵌入的空隙。通常，市面上的模块的所有零件都布置在印刷电路板的同一面，所以模块可焊接到主板上。在定制设计中，零件可布置在任何配置中或电路板的两面。
协议灵活性 — 许多生产带有嵌入式控制器的模块和集成电路的生产商都不提供ZigBee或其他通信软件的源码。这极大地限制了设计者增加定制功能的能力。
特殊要求 — 对有些应用来说，集成了无线电和微控制器的模块或集成电路所提供的硬件功能可能并不够用。虽然总可以选择添加第二个微控制器，但这样一来总成本会超出预定水平。在其他情况下，可能需要提供市场上没有的功能。例如，美国规定允许无线电输出功率最高可达到1瓦，但很少有模块能达到这个水平。
天线类型和布置 — 模块的印刷电路板上可带有天线，其形式为印刷图案，或者为带有外置天线的“芯片”天线。如果模块上的天线是在屏蔽外壳的里面，或者其位置过于接近最终封装设计中的其他元件，则其性能可能受到影响。市场上有的模块带有用于连接外置天线的接头。但是，只有使用经认证可与模块一起使用的天线才是合法的。如果需要使用不受模块厂家支持的天线——例如因为需要更高的增益——则须经过有关机构的批准（这需要时间并会产生成本）。
集成式无线电的测试验证
在无线电的实现方案已定、相应的印刷电板板布局已定以及任何必需的软件编写完成之后，还需要进行大量测试来确保通信状况良好。
对大多数应用来说，无线电系统和产品的其他零件之间存在串行通信。例如，许多集成电路和模块使用四线串行外设接口（SPI）连接来控制无线电集成电路及相关元件，如功率放大器。为了选择频率信道、输出功率等级和其他许多参数，需要通过SPI命令来设置内部寄存器。SPI用于控制用来控制功率放大器或其他器件的通用端口引脚。SPI还用于将数据包发送到集成电路或模块，以及发送用于来传输数据包的命令。收到的数据也通过SPI总线来传输。
微控制器中的软件（无论集成或独立）需要提供最高等级的协议（ZigBee或其他）以及控制无线电的功率，并运行产品的其他方面。在许多应用中，无线电信号发射的时机非常重要，以致无线电在产品的一些其他耗电零件在运行中并使电源电压降至可接受水平以下时不会发射信号。
用于验证无线电操作的部分关键测试包括射频和电源测量、数字命令、寄生信号和干扰。为举例说明这些测试，我们把Microchip Technologies IEEE 802.15.4放大无线电模块（MRF24J40MB）与Explorer 16演示板搭配使用。屏幕截图来自泰克MDO4000系列混合域示波器——全球首款提供射频、模拟和数字信号的同时时间相关视图的示波器。设置和数据命令通过个人电脑来发送，以支持手动控制。图1显示了测试设置。一个对无线电设备的直接连接被用于简化功率和其他测量。也可以使用一个经过校准的天线来进行射频测量。
图
1
。Microchip Technologies MRF24J40MB
与Explorer 16
演示板
ZigBee
无线电模块
/
测试板和混合域示波器之间的测试连接。
射频和电源测量
IEEE 802.15.4（包括ZigBee）标准的信道频率间隔为5 Mhz。20dB信道带宽应当显著小于信道频率间隔。图2所示的2.3 MHz测得被占用带宽完全符合该规格。输出功率大致在20 dBm以内。屏幕显示了输出频谱（屏幕下方）以及带宽和电源的直接测量结果。在此频率范围内，测试电缆衰减约为2 dB，所以电源测量结果在预期范围之内。
图
2
。在该图中，橙色条代表频域显示相对于时域测量结果的频谱时间。
屏幕上半部底部的橙色条代表频谱迹线的显示时限。频谱时间定义为窗口成形因子除以分辨率宽度的结果。在本例中，使用默认的Kaiser FFT函数（成形因子2.23）和11 kHz的分辨率带宽，频谱时间计算结果约为200 µs。在时域窗口上移动频谱可取得数据包发射期间任何时刻的频谱和测量结果。该采集仅在开启无线电数据包发射后相关。
混合域示波器的射频采集可执行射频信号的功率和被占用带宽测量。由于它也采集射频采集的时间记录，所以可用一个数字降压转换过程来产生I（真实）和Q（假想）数据。每个I和Q数据样点代表射频输入与电流中心频率的偏差。利用该分析可从所记录的数据来计算射频幅度-时间迹线。
图3显示了被添加到图4显示内容的附加射频幅度-时间迹线。这证明了图5中的电流和电压测量事件与射频发射的开启相关。
图
3
。功率和被占用带宽的测量结果，包括相关的射频幅度
-
时间，以及电源电流和漏极电压的测量结果。
绿色迹线（迹线4）显示了模块的消耗电流。在数据包传输期间，该消耗电流几近200 mA（请注意 174 mA的直接测量结果），所以必须设计电源来支持该负载。黄色迹线（迹线1）显示了该电流对电源的影响。压降只有70 mV左右，这一水平应当是优异的（请注意72 mV的直接峰-峰测量结果）。
屏幕上面部分的橙色迹线（迹线A）显示了射频信号幅度-时间关系。输入电流分两步上升。在第一步中，射频集成电路被开启。然后有一个时延来让频率合成器在功率放大器开启前稳定下来。射频功率的上升与第二步电流上升吻合。开启时间约为100 µs。
常常需要在低电池条件或电源电流限制条件期间了解无线电发射器的性能，以便了解无线电合规性能的余量。在图6中，一个1.5Ω的电阻器被与模块串联起来，以模拟电量已快耗尽的电池的效应。该模块消耗的电流只低几个毫安，但压降为230 mV左右。根据射频功率测量，输出功率减少了1 dB，且相邻信道的噪声有轻微增加，如频谱显示中所见。从振幅-时间迹线（迹线A）中也可看出这一较低的输出功率。
图
4
。通过将电阻与模块电源串联来研究低功率性能行为的频谱和测量结果。
数字命令
需要设置无线电集成电路和模块来满足具体应用和任何针对特定协议的设置的操作要求。混合域示波器允许解码对ZigBee模块的SPI命令。图5显示了SPI命令的数字捕获结果，时间范围与图2的时间范围相同。解码功能被启用，但在此时间范围内不可读。
图
5
。
SPI
数字信号（
SPI - MOSI
和
MISO
）的数据包解码被添加到显示中。
在本例中，模拟、数字和射频采集的触发条件为迹线4的漏极电流高于130 mA。中心左侧上方显示中的所有时域测量结果显示了在射频开启时在电流超出该水平前的事件。其中包括数字解码、模拟（电压和电流）及射频-时间关系。从这些信息可以看出，数字命令出现在射频事件发生前约600 ms时。
紫色迹线显示了被解码数据在时域中的位置。可使用平移和缩放功能来读取数字波形和被解码的数据。可读取或触发SPI（MISO）上的回读命令和数据，以确认命令正确和验证无线电的操作。
混合域示波器架构简化了SPI命令触发和相关射频事件间的测量。在图6中，触发事件现在变为SPI命令{37} ——无线电发射触发命令。时域显示上的标记显示了SPI命令至电流引出（在射频发射器开启之初）现在为1.768 ms。
图
6
。随后基于
SPI
命令的触发显示了命令和无线电开启开间的时延。
在前面图5中的例子中，命令至开启时延约为600 µs。图6中的实际事件时间长近三倍。这证明ZigBee无线电的行为在实际上符合IEEE 802.15.4的物理层性能要求之一。ZigBee无线电使用命令和开启事件之间的伪随机时延来启用无线电，以侦听其他ZigBee无线电发射器或其他无线电干扰信道。
寄存信号
在确认无线电的操作时，确保没有会导致干扰的寄存信号非常重要。图7显示在ZigBee工作频带中没有显著的寄存信号。请注意，此图的相关模块的发射频率设置为2.45 GHz频带的中心频率。标记功能在此被用于测量峰值信号。在分辨率带宽现在被设为100 kHz的情况下，频谱时间现在减小到刚刚超过20 ms。
图
7
。
2.45 GHz
的宽频扫描可提供关于整个
ISM
频带的信号视野。
寻找频谱其他部分中的信号也很重要。例如，下一步可能是看被发射信号的第二谐波的频率范围（在其仍然与射频传输开启期间的电流消耗的触发水平有关时）。在本例中，我们只在第二谐波中发现一个小信号，其他频率没有任何显著发现。标记所在位置的第二谐波信号比基波约低35 dB，这完全在适用此类无线电发现器的RCC规则的范围之内。
干扰
对于某些应用，使用天线来进行测量，以识别可能干扰所开发无线电的其他无线电来源是很有用的。在图8中，MDO使用了一个干扰天线来寻找可能的干扰无线电来源。中心频率为2.46 MHz的宽频信号来自位于同一座大楼中的Wi-Fi基站。该基站覆盖ZigBee无线电能够使用的大量信道。在针对该无线电模块的应用中，避免使用该频率附近的信道是明智的，因为ZigBee无线电的射程可能受到影响，或者无线电信号被完全阻截。
图
8
。显示无线局域网干扰信号，以评估互操作性测试期间的影响。
在本例中，射频触发器只使用了MDO的频谱分析仪选项来捕获感兴趣频带中的信号。主要参考标记显示这是一个相当强的信号。手动标记（a）和（b）是干扰源的频率范围的读数。此干扰的频率范围和功率会使ZigBee信道17-19不可用。当然，包括ZigBee在内的大多数协议将会扫描此类干扰并将操作移动到干净的信道。复杂程度稍低一些的协议可能需要对操作信道进行手动调节。
总结
在实现ZigBee或其他IEEE 802.15.4无线电之前有许多选择可供考虑。最佳方案的选择取决于许多因素，包括开发时间、单位成本-设计和批准成本，以及诸多特殊要求，如可用空间、形状因素，另外还有针对无线电的特殊电气要求。
无论选择哪种方案，为了确保无线系统的正常工作，都要进行大量的测量。射频测量包括检查射频输出频率、输出振幅、被占用带宽和寄生输出。数据包定时、电流消耗和电源噪声的确认也很重要。此外，确认无线电设置了正确的数字配置信息以及收到正确的数据也很重要。如本文所示，能够关联模拟、数字和射频信号的混合域示波器非常适用于完成该任务，并可帮助设计人员在确认和验证ZigBee模块的过程中节省时间和减轻工作量。
作者简介
Darren McCarthy是泰克公司的全球射频技术营销经理。他在过去20年里担任过测量和测量领域的许多职务，包括研发工程师、研发项目经理、产品规划、业务和市场开发等等。在他的职业生涯中，他有八年时间作为技术顾问和工作组成员在多个IEC技术委员会中担任美国代表，如今则在多个工业标准工作组中和论坛上代表泰克公司。他最近发表的文章涉及从非线性器件检测到超宽频测量挑战的众多主题。他拥有西北大学（埃文斯通/伊利诺斯州）的电气工程学士学位（BSEE）。
