一种无线数据通信ZigBee测量的设计和实现

　　1 引言

　　Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。

　　2 ZigBee相关技术及测试需求

　　根据IEEE 802.15.4标准，ZigBee工作的频段是免费开放的，分别为2.4GHz(全球)，915MHz(美国)和868MHz(欧洲)，根据频段的不同，采用了不同的技术(见表1)。

　　表1 IEEE 802.15.4频带宽度、调制类型和脉冲成型滤波器

　　在3个不同频段，都采用相位调制技术，2.4GHz采用较高阶的OQPSK调制技术以达到250kbit/s的速率，并降低工作时间，以减少功率消耗。相比较2.4GHz频段，868/ 915MHz为低频段，采用BPSK的调制技术，无线传播的损失较少，传输距离较长。

　　868/915MHz频段使用较为常用的RRC滤波器，绝大多数信号源和频谱仪都可以简单完成。而2.4GHz频段的ZigBee使用的是半正弦成型滤波器，方程式如下：

　　对于2.4GHz的物理层，标准规定了数据流的映射、扩频和调制流程图(见图1)。

　　
图1 映射、扩频方框图

　　每4个bit映射为1个符号(共16个符号)，每1个符号映射为32个码序列，每个码序列都是一组伪随机序列PN.OQPSK是在QPSK基础上发展起来的一种恒包络数字调制技术。这种形式的已调波具有两个主要特点，其一是包络恒定或起伏很小;其二是已调波频谱具有高频快速滚降特性，或者说已调波旁瓣很小，甚至几乎没有旁瓣。

　　根据IEEE 802.15.4测试规范，ZigBee系统的测试主要使用信号源、频谱仪等。R&S提供上述的所有仪表及相应的选件。首先，将ZigBee待测指标分类，具体参见表2.

　　表2 ZigBee待测指标

　　3 R&S针对ZigBee的测试仪器介绍

　　R&S公司提供的独特而全面的专业无线通信解决方案，包括数字集群移动通信网络，陆海空无线通信系统，通信系统加密方案和无线情报侦查系统，帮助中国用户如警察、消防人员、救援机构、边防部队和军队高效可靠地执行其至关重要的任务。1990年，R&S公司向中国民航提供了中国第一套VHF地对空航空管制通信系统，用于首都国际机场，由此开始了与民航长达十余年的密切合作。至今，R&S公司的航空管制通信系统遍及全国各主要民用机场。

　　R&S提供了一系列的仪器以满足不同的ZigBee测试需求，下面简单介绍一下本文中提到的测试仪器，包括信号产生方案和信号分析方案(见表3和表4)。

　　表3 R&S公司的任意矢量信号产生方案

　　表4 R&S公司的任意矢量调制信号分析解决方案

　　4 R&S关于ZigBee的测试解决方案

　　根据无线数据通信ZigBee设备的组成，R&S提供发射测试和接收测试相应解决方案，图2是根据收发天线进行收发测试的框图结构。

　　
图2 ZigBee收发测试框图

　　通过使用频谱仪接收来自ZigBee的发射信号和信号源发射供ZigBee工作的射频信号完成ZigBee发射机和接收机的测试，下面详细介绍ZigBee的发射测试和接收测试。

　　4.1 发射测试

　　ZigBee测试规范主要依据IEEE 802.15.4标准，R&S公司提供符合IEEE 802.15.4标准规定的发射机测试方案，R&S的高性能频谱分析仪结合任意解调选件FS-K70可全面测试相关项目，并可优化参考电平和衰减，免去用户手动调整的烦恼。除按照标准设定的自动测试外，该系列选件也允许用户改变任何一项参数以便满足用户特殊的测试需求。

　　根据IEEE 802.15.4标准，ZigBee待测指标分为射频指标和调制质量分析两大类：

　　(1)射频测试：可直接在频谱模式下完成，包括邻道功率泄漏比、杂散发射、发射功率及Power Rise/Fall等指标。R&S公司的频谱仪都具有标配的射频测试功能，可自定义ACLR模板及杂散发射模板等，因此，可方便地完成ZigBee的射频功能测试，如邻道功率泄漏比：定义为发射功率与相邻RF信道接收机滤波器后所测功率之比。R&S的系列频谱仪都可以提供频域的ACLR测试，具体参见图3.

　　
图3 ACLR测试结果

　　(2)调制质量分析：是在一个给定时刻理想无误差信号与实际发射信号的向量差。R&S提供基于FS-K70的矢量信号解调选件。

　　R&S 矢量分析仪FSQ/FSG/FSV/FSU等都具有任意矢量信号分析功能，下面以FSQ为例：FSQ具有标准28MHz 解调带宽，经扩展后可宽达120MHz,IQ 采样点存储深度高达705M,分析过程采用数字信号处理器硬件直接完成。其FS-K70及扩展解调带宽功能原理框图参见图4.

　　
图4 FSQ-K70选件原理框图

　　选件FSQ-K70 可以对各类数字调制信号进行分析，如MSK,PSK(包括OQPSK)，QAM等调制方式，获得分析结果，例如EVM,频率误差，相位误差，IQ不理想性、眼图等，具体参见图5.

　　
图5 FS-K70测量显示窗口

　　由于FSQ-K70可自定义滤波器设置，因此对于2.4GHz的ZigBee信号来说，可先导入Matlab设计的Half-Sine滤波器，这样FSQ-K70就可方便地完成调制质量的分析，包括EVM,星座图误差及发射机中心频率容忍度等测试。如调制质量：可通过在测试中加入EL(Evaluation Line)，对特定部分的信号进行分析，图6所示为自定义脉冲成型滤波器的测试结果。

　　
图6 ZigBee调制准确性测试

　　4.2 接收测试

　　接收机测试的目的是为了评估无线数据通信接收部分整体的性能是否符合设计和验收要求。一般情况下，测试端口位于射频输入端口，采用标准信号源产生射频测试信号，馈入接收机，然后使用PC完成对ZigBee输出码流的计算以对接收机性能进行评估。

　　信号产生：R&S提供WiNIQSIM软件，可选择OQPSK调制方式及符号速率等参数进行特定数据的编辑，具体参见图7;ZigBee帧结构设置：在WinIQSIM软件中，可方便地通过数据编辑器进行ZigBee帧结构的数据进行编辑，具体参见图8.

　　
图7 WinIQSIM数据编辑

　　
图8 ZigBee帧结构编辑

　　5 结束语

　　在无线电监测与测向领域，全球频谱监测领域的领导者- R&S公司致力于频率管理系统、无线电监测与测向系统的开发和利用。在与国家无线电监测中心及中国各地无线电管理机构、军队、安全等相关部门多年的积极合作中，这些系统在频谱管理工作中发挥了至关重要的作用。保证了所有无线电和广播业务的协同共存，维护着信息的安全畅通。