ZigBee系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與射頻性能分析及其射頻測(cè)試方法

ZigBee 技術(shù)是一種具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)。其命名來(lái)自于人們對(duì)蜜蜂采蜜過(guò)程中跳“Z”字舞的觀察。蜜蜂體積小，所需能量小，又能傳送采集的花粉，因此人們用ZigBee 代表成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的無(wú)線通信技術(shù)。本文對(duì)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，對(duì)ZigBee射頻性能進(jìn)行了分析，并對(duì)ZigBee射頻測(cè)試的方法進(jìn)行了討論。

1 引言

ZigBee 作為將對(duì)21 世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響的新技術(shù)之一，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種以數(shù)據(jù)為中心的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，具有可快速臨時(shí)組網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可動(dòng)態(tài)變化、抗毀性強(qiáng)、無(wú)需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等特點(diǎn)。基于這些特點(diǎn)，ZigBee 被廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控、城市交通、空間探索，以及機(jī)場(chǎng)、大型工業(yè)園區(qū)的安全檢測(cè)等領(lǐng)域。環(huán)境監(jiān)測(cè)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一個(gè)方面，傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，可以為實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)量更大、對(duì)環(huán)境影響更小的環(huán)境監(jiān)測(cè)提供一個(gè)全新的手段。

ZigBee 技術(shù)以其低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大、傳輸時(shí)延短和可靠性高等特點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居、樓宇自動(dòng)化、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

(1)ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)

●低功耗：由于ZigBee 的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee 設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee 設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5 號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)2 年左右的使用時(shí)間，這是其它無(wú)線設(shè)備望塵莫及的。

●成本低：ZigBee 模塊的初始成本在6 美元左右，估計(jì)很快就能降到1.5~2.5 美元，并且ZigBee 協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。

●時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此，ZigBee 技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無(wú)線控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應(yīng)用。

●網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254 個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

●可靠：采取了碰撞避免策略(CSMA-CA)，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開(kāi)了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā)。

●安全：ZigBee 提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES-128 的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

(2)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

按設(shè)備的功能強(qiáng)弱劃分為全功能設(shè)備(FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。

●全功能設(shè)備有更多的存儲(chǔ)器、計(jì)算能力，具有全部802.15.4 功能和所有特性。有控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。

●精簡(jiǎn)功能設(shè)備僅附帶有限的功能來(lái)控制成本和復(fù)雜性，只作為終端設(shè)備使用，使用小內(nèi)存、小協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

按設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的作用劃分為Zig-Bee 協(xié)調(diào)器、ZigBee 路由器和ZigBee 終端設(shè)備。

●ZigBee 協(xié)調(diào)器處于網(wǎng)絡(luò)頂層，它總是處于工作狀態(tài)，有穩(wěn)定可靠的電源供給。包含所有的網(wǎng)絡(luò)信息，是3 種設(shè)備中最復(fù)雜的一種，存儲(chǔ)容量大、計(jì)算能力強(qiáng)。能發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息等。它們只能由FFD承擔(dān)。

●ZigBee 路由器必須具備數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)能力及路由發(fā)現(xiàn)能力。除完成應(yīng)用任務(wù)外，還必須支持其子設(shè)備的連接、路由表的維護(hù)等。它們只能由FFD承擔(dān)。

●ZigBee 終端設(shè)備結(jié)構(gòu)和功能最簡(jiǎn)單，用電池供電，大部分時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，最大程度地節(jié)約電能，延長(zhǎng)電池壽命?？梢杂蒄FD 承擔(dān)，但主要還是由RFD承擔(dān)。

IEEE 802.15.4/ZigBee 協(xié)議中明確定義了3 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星型結(jié)構(gòu)(Star)、簇樹(shù)結(jié)構(gòu)(ClusterTree)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)，具體參見(jiàn)圖1。

圖1 幾種基本的網(wǎng)絡(luò)模型

在星狀拓?fù)渲?，網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器控制。協(xié)調(diào)器要負(fù)責(zé)初始化并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)中的所有其他設(shè)備，這些設(shè)備均作為終端設(shè)備直接與協(xié)調(diào)器通信。在Mesh 或簇樹(shù)網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)并設(shè)置某些關(guān)鍵參數(shù)，但是網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)路由器進(jìn)行擴(kuò)展。在簇樹(shù)網(wǎng)絡(luò)中，路由器采用分級(jí)路由策略傳送數(shù)據(jù)和控制信息。樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)通常使用基于信標(biāo)的通信模式。Mesh網(wǎng)絡(luò)允許完全的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，在Mesh 網(wǎng)絡(luò)中路由器不會(huì)發(fā)送常規(guī)IEEE802.15.4 信標(biāo)。

3 ZigBee射頻測(cè)試主要內(nèi)容及分析

ZigBee 的測(cè)試規(guī)范主要依據(jù)IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)整機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試。整機(jī)性能測(cè)試包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)性能測(cè)試。發(fā)射機(jī)射頻的主要需求分為兩部分：保證有用信道中發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量和防止來(lái)自于無(wú)用發(fā)射的頻率分量。接收機(jī)應(yīng)具有對(duì)抗大范圍干擾信號(hào)的能力，從而保證有用信號(hào)可靠解調(diào)，并避免傳輸?shù)倪^(guò)度敏感。下面詳細(xì)介紹ZigBee的發(fā)射測(cè)試和接收測(cè)試。

(1)發(fā)射機(jī)測(cè)試

發(fā)射機(jī)測(cè)試原理：分析發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)，首先要用一個(gè)理想的接收機(jī)把發(fā)射信號(hào)變成數(shù)字的基帶信號(hào)。然后在數(shù)字中進(jìn)行信號(hào)處理，得出相應(yīng)的指標(biāo)。實(shí)際測(cè)試時(shí)，一般利用高性能的頻譜儀或信號(hào)分析儀作為理想的接收機(jī)。經(jīng)過(guò)理想接收機(jī)并AD轉(zhuǎn)換后得到IO數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的脈沖成形濾波、內(nèi)插、抽取就會(huì)得到初始的測(cè)量信號(hào)，然后還需要對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行幅度、相位和頻率，以及時(shí)間的修正以得到修正測(cè)量信號(hào)，然后對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行解擾、解擴(kuò)、解調(diào)、再調(diào)制、再擴(kuò)頻、再加擾，經(jīng)過(guò)成形濾波器就得到了參考信號(hào)，最后通過(guò)修正測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)的比較計(jì)算就得到了信道內(nèi)測(cè)量的各個(gè)指標(biāo)。

對(duì)于發(fā)射機(jī)，在發(fā)射機(jī)測(cè)試指標(biāo)里主要包括如下測(cè)試項(xiàng)目：

●發(fā)射機(jī)信號(hào)輸出功率

發(fā)射機(jī)發(fā)射功率應(yīng)不干擾其他設(shè)備和系統(tǒng)，因此ZigBee 的輸出功率一定要滿足指標(biāo)要求。不同地區(qū)的最大發(fā)射功率在相應(yīng)的頻段上是不同的，在中國(guó)最大發(fā)射功率為10mW(EIRP)。

●功率升降

●頻譜發(fā)射模板

對(duì)于無(wú)線數(shù)據(jù)通信ZigBee 來(lái)說(shuō)，發(fā)射機(jī)的頻譜發(fā)射模板及雜散發(fā)射特性直接影響其對(duì)現(xiàn)存的無(wú)線電業(yè)務(wù)造成干擾。發(fā)射機(jī)頻譜功率應(yīng)低于規(guī)定的限值，在我國(guó)頻譜功率模板限值如表1 所示。對(duì)于相對(duì)限值和絕對(duì)限值，平均功率譜均值的測(cè)量均采用100kHz 的分辨率帶寬。對(duì)于相對(duì)限值參考功率為中心頻率fc±600kHz最高的平均功率譜密度。

表1 最大發(fā)射功率狀態(tài)發(fā)射雜散

●發(fā)射雜散

發(fā)射機(jī)雜散輻射是由于非期望的發(fā)射機(jī)現(xiàn)象引起的(例如諧波輻射、寄生輻射、互調(diào)產(chǎn)物)，但是不包括帶外輻射。雜散輻射限值僅限于從信道邊緣開(kāi)始計(jì)算，大于有用帶寬2.5 倍的頻率范圍。為了改善測(cè)量精度、靈敏度和效率，分辨率帶寬可以小于測(cè)量帶寬。

●中心頻率容限

發(fā)射中心頻率容忍度應(yīng)在頻率最大值的±40ppm范圍內(nèi)。

●星座圖誤差

●誤差矢量幅度(EVM)

EVM指的是誤差向量(包括幅度和相位的失量)，表征在一個(gè)給定時(shí)刻理想無(wú)誤差基準(zhǔn)信號(hào)(物理層規(guī)范參考信號(hào))與實(shí)際發(fā)射信號(hào)的向量差(見(jiàn)圖2)。從EVM參數(shù)中，我們可以了解到一個(gè)輸出信號(hào)的幅度誤差和相位誤差。

圖2 誤差矢量計(jì)算

圖2 誤差矢量計(jì)算EVM是衡量一個(gè)RF 系統(tǒng)總體調(diào)制質(zhì)量的指標(biāo)，定義為信號(hào)星座圖上測(cè)量信號(hào)與理想信號(hào)之間的誤差，用來(lái)表示發(fā)射器的調(diào)制精度，調(diào)制解調(diào)器、PA、混頻器、收發(fā)器等對(duì)它都會(huì)有影響。發(fā)射機(jī)調(diào)制的準(zhǔn)確度決定于EVM 的測(cè)量。當(dāng)測(cè)量1000 碼片時(shí)發(fā)射機(jī)的EVM應(yīng)小于35%。接收到的實(shí)際發(fā)送信號(hào)應(yīng)在接收系統(tǒng)恢復(fù)后的基帶IQ碼片上測(cè)量。

(2)接收機(jī)測(cè)試

接收機(jī)測(cè)試原理：接收機(jī)測(cè)試目的是為了評(píng)估無(wú)線數(shù)據(jù)通信接收部分整體性能是否符合設(shè)計(jì)和驗(yàn)收要求。一般情況下測(cè)試端口位于射頻輸入端口，采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源產(chǎn)生射頻測(cè)試信號(hào)，饋入接收機(jī)，然后對(duì)輸出碼流進(jìn)行測(cè)試以對(duì)接收機(jī)性能進(jìn)行評(píng)估。

在接收機(jī)測(cè)試指標(biāo)里主要包括如下測(cè)試項(xiàng)目：

●符號(hào)錯(cuò)誤容限

在我國(guó)采用780MHz 頻段O-QPSK/MPSK 調(diào)制的物理層符號(hào)速率應(yīng)為62.5ksymbol/s，此時(shí)符號(hào)精度為± 40ppm。

●接收機(jī)靈敏度

接收機(jī)靈敏度是指滿足一定的接收包錯(cuò)誤率的情況下，接收機(jī)的最小輸入功率。在滿足表2 條件下設(shè)備具有達(dá)到-85dBm或更好的靈敏度。

表2 接收機(jī)要求

●最大輸入電平

接收機(jī)的最大輸入電平是接收機(jī)期望信號(hào)在接收機(jī)輸入端，滿足表2 要求的最大輸入功率。接收機(jī)的最大輸入電平應(yīng)大于等于-20dBm。

●接收機(jī)阻塞

阻塞特性指的是在期望信道之外存在干擾信號(hào)的情況下，干擾信號(hào)使接收有用信號(hào)質(zhì)量下降幅度不超過(guò)接收機(jī)PER限值，即PEB

4 ZigBee 射頻參考測(cè)試方案

ZigBee 終端的射頻測(cè)試系統(tǒng)由無(wú)線測(cè)試儀、頻譜儀和信號(hào)發(fā)生器組成硬件平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上采用GPIB或LAN口進(jìn)行系統(tǒng)控制，在主控計(jì)算機(jī)上開(kāi)發(fā)測(cè)試軟件，最終實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測(cè)試。

●無(wú)線測(cè)試儀：支持ZigBee 信令模式，支持IEEE802.15.4 規(guī)定的物理層特性的ZigBee信號(hào)。

●矢量信號(hào)源：支持IEEE 802.15.4 規(guī)定的物理層特性的ZigBee信號(hào)。

●頻譜分析儀：支持ZigBee 終端頻譜測(cè)試和雜散測(cè)試，帶寬要達(dá)到30MHz～12.75GHz。

發(fā)射機(jī)測(cè)試原理圖如圖3 所示，ZigBee 發(fā)射信號(hào)進(jìn)入矢量信號(hào)分析儀，測(cè)量各個(gè)發(fā)射機(jī)指標(biāo)。

圖3 發(fā)射機(jī)測(cè)試原理圖

普通接收機(jī)測(cè)試原理圖如圖4 所示，矢量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)ZigBee 信號(hào)傳送給ZigBee 組件接收機(jī)，ZigBee 產(chǎn)生ACKFrame 確認(rèn)接受。矢量信號(hào)分析儀分析ACK是否符合標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 接收機(jī)原理測(cè)試圖

接收機(jī)阻塞原理圖如圖5 所示，矢量信號(hào)發(fā)生器1產(chǎn)生主要信號(hào)，矢量信號(hào)發(fā)生器2 產(chǎn)生鄰信道干擾信號(hào)發(fā)送給待測(cè)件，測(cè)試接收機(jī)阻塞性能。

圖5 接收機(jī)阻塞原理測(cè)試圖

5 結(jié)束語(yǔ)

ZigBee 預(yù)計(jì)到2015 年國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到7500 億元，年復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)30%。智慧城市建設(shè)成為運(yùn)營(yíng)商推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的重要落腳點(diǎn)。此外，工業(yè)和信息化部和財(cái)政部已設(shè)專項(xiàng)資金用以支持物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。據(jù)悉，2013 年投入的專項(xiàng)資金支持預(yù)算較2012 年有所增長(zhǎng)，將超過(guò)5 億元。業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)未來(lái)10 年內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)會(huì)大規(guī)模普及，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模將遠(yuǎn)超互聯(lián)網(wǎng)。由此可知，ZigBee 技術(shù)將會(huì)發(fā)展迅速，其未來(lái)的應(yīng)用范圍也會(huì)相當(dāng)?shù)膹V泛。