ZigBee測試與協(xié)議分析

1 前言

ZigBee協(xié)議棧包括物理層協(xié)議(IEEE802.15.4)和上層軟件協(xié)議(ZigBee 2007以及其他的ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）。本文將從這兩方面來了解這些協(xié)議，通過介紹如何捕獲及如何理解關(guān)鍵參數(shù)，深層次剖析ZigBee技術(shù)。有了這些本質(zhì)性的認(rèn)識，對于分析解決無線產(chǎn)品應(yīng)用問題，會有很大的幫助。

2 物理層分析

ZigBee的物理層為IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定，定義了ZigBee底層的調(diào)制編碼方式。這些規(guī)約大多是芯片設(shè)計者需要關(guān)心的，對于應(yīng)用開發(fā)來說，更關(guān)心的是衡量一個芯片、一個射頻系統(tǒng)性能的參數(shù)。在過去的文章中，已介紹了輸出功率、接收靈敏度和鏈路預(yù)算等參數(shù)，這一講將更深入地介紹一個調(diào)制質(zhì)量的參數(shù)：EVM。

EVM指的是誤差向量（包括幅度和相位的矢量），表征在一個給定時刻理想無誤差基準(zhǔn)信號與實際發(fā)射信號的向量差，如圖1所示。從EVM參數(shù)中，可以了解到一個輸出信號的幅度誤差及相位誤差。

圖1 矢量誤差EVM示意圖

EVM是衡量一個RF系統(tǒng)總體調(diào)制質(zhì)量的指標(biāo)，定義為信號星座圖上測量信號與理想信號之間的誤差，它用來表示發(fā)射器的調(diào)制精度，調(diào)制解調(diào)器、PA、混頻器、收發(fā)器等對它都會有影響。EVM數(shù)據(jù)和眼圖如圖2所示。

圖2 EVM數(shù)據(jù)和眼圖

了解完這個參數(shù)之后，再看看實際測試中是如何獲取EVM參數(shù)的。

ZigBee物理層的測試，在產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)和維護階段，可以分別采用不同的儀器。

(1)產(chǎn)品研發(fā)階段

要測量EVM參數(shù)，需要使用帶協(xié)議解析的頻譜儀，最好是自帶相應(yīng)協(xié)議插件的儀器，可以使用安捷倫PXA N9030A頻譜分析儀+8960B插件(選配了ZigBee分析插件)。這些儀器可以測試出ZigBee調(diào)制信號的星座圖、實時數(shù)據(jù)和眼圖等信息，在芯片級開發(fā)過程中，需要考量高頻電容電感以及濾波器等的單個及組合性能，特別需要注意的是ZigBee信號的臨道抑制參數(shù)，利用PXA N9030A的高分辨率，可以查看點頻的帶外信號，這些細(xì)節(jié)在更換射頻器件供應(yīng)商時，需要仔細(xì)測量，一般數(shù)字電路抄板比較容易，因為器件性能的影響不是很大，只要值和封裝對了就可以，但是射頻前端的設(shè)計上，即使原樣的封裝、容值和感值，供應(yīng)商不一樣，射頻參數(shù)也是不一樣的，板材的選用也極大地影響著阻抗匹配，因此復(fù)制和再開發(fā)都有較大難度。合格的測試工具，加上有質(zhì)量保證的射頻器件供應(yīng)商資源，方能真正具備RF設(shè)計能力。安捷倫PXA N9030A頻譜分析儀如圖3所示。

圖3 安捷倫PXA N9030A

(2)批量生產(chǎn)階段

在批量生產(chǎn)中，不可能將實驗室的研發(fā)測試儀器搬到工廠，因此，需要便攜小巧的測試設(shè)備，這時可用羅德與斯瓦茨公司的熱功率探頭，如NRP-Z22，做一個2.4 GHz的輸出功率測試，保證能夠輸出公差允許的功率信號即可，因為在生產(chǎn)中，射頻器件的焊接不良、饋線連接頭的接觸不良，都會造成輸出功率的下降甚至消失。需要注意的是，探頭非常容易被靜電損壞，必須要帶上防靜電手套進行操作，返修過程如需要經(jīng)過德國，則時間長，經(jīng)費也不便宜，不是很嚴(yán)重的損壞倒是可以在深圳維修中心處理。NRP-Z22如圖4所示。

圖4 羅德與斯瓦茨公司NRP-Z22

(3)應(yīng)用階段

在現(xiàn)場出現(xiàn)問題時，ZigBee節(jié)點已經(jīng)安裝到現(xiàn)場，不能逐一拆下來測試，并且周圍的電磁環(huán)境也是沒辦法在單個節(jié)點上檢測到，這時就需要手持式的頻譜儀進行現(xiàn)場勘查了，例如安捷倫公司的N9912A手持式頻譜儀。

使用該頻譜儀，可以完成無線系統(tǒng)設(shè)計初期的現(xiàn)場勘查工作，檢測現(xiàn)場各個地點是否有異常電磁干擾，對于ZigBee來說，當(dāng)然是檢測是否有持續(xù)的WIFI信號干擾了。同時，更為詳細(xì)的現(xiàn)場勘查，還包括在定點進行數(shù)據(jù)發(fā)送，預(yù)期覆蓋點進行信號強度分析，以實地評估墻體等障礙物的信號衰減，在已經(jīng)架設(shè)好的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，也可以檢測信號覆蓋，數(shù)據(jù)通信是否正常等。N9912A如圖5所示。

圖5 安捷倫公司的N9912A

除了以上三種場合的測試外，在調(diào)試時要用到的還包括具備信號錄制功能的信號源，將接收到的ZigBee信號錄制下來，以不同的輸出功率進行“播放”，以測試模塊的接收靈敏度，在必要的情況下，還需要專業(yè)的誤碼率測試儀，進行誤碼率測試。

3 應(yīng)用層分析

在具備合格的硬件基礎(chǔ)上，應(yīng)用工程師往往更關(guān)心的是，我這些數(shù)據(jù)發(fā)出來了沒有？信號強度是多少？僅僅檢測到有數(shù)據(jù)發(fā)送，但是不知道是誰發(fā)給誰的也不行，因此，在應(yīng)用層的分析上，需要專門的ZigBee數(shù)據(jù)分析儀，通過捕獲數(shù)據(jù)幀，我們可以看到數(shù)據(jù)幀中的每一個域的值，當(dāng)然前提是數(shù)據(jù)沒有采用AES128加密方式加密。周立功公司的ZigBee分析儀如圖6所示。

ZigBee分析軟件拆分出數(shù)據(jù)包，分析軟件會將數(shù)據(jù)包內(nèi)容完整地呈現(xiàn)于Frame結(jié)構(gòu)中，會在MAC PACKET結(jié)構(gòu)中顯示幀類型、源地址、目的地址、序列號和數(shù)據(jù)幀內(nèi)容等，這個功能在調(diào)試ZigBee路由協(xié)議?；蛘咴跈z測路由信息時，是非常必要的。

ZigBee Analyser是針對無線ZigBee模塊開發(fā)的數(shù)據(jù)包分析儀設(shè)備，主要用于幫助用戶捕獲ZigBee通信的數(shù)據(jù)包，用于數(shù)據(jù)分析，快速尋找ZigBee組網(wǎng)時出現(xiàn)的問題所在。

圖6 周立功公司ZigBee分析儀

Packet Analyzer是運行在PC端、配合ZigBee Analyser分析儀的軟件，由美國CEL公司開發(fā)，對分析儀提供的數(shù)據(jù)進行解析，圖形化顯示，并具有簡單的信道能量掃描功能，如圖7所示，分別是Packet Analyzer的幀列表界面、樹形幀結(jié)構(gòu)界面，信道能量檢測界面和網(wǎng)絡(luò)地圖界面。

圖7 Packet Analyzer功能界面

對于客戶應(yīng)用來說，只需要配備一臺ZigBee分析儀就可以滿足實際需求了，信號強度的檢測可以通過發(fā)送模塊和射頻電纜直接輸出到分析儀的天線輸入，可獲得精度為1 dbm的信號強度指示。

4 結(jié)語

本文介紹了ZigBee無線產(chǎn)品在原理、設(shè)計、生產(chǎn)和現(xiàn)場調(diào)試當(dāng)中應(yīng)用到的檢測技術(shù)，也從另外一個角度去了解了ZigBee技術(shù)。俗話說，工欲善其事，必先利其器，可以看到，只要掌握了合適的測試設(shè)備和方法，應(yīng)用ZigBee技術(shù)并不是非常困難的事情。

周立功公司應(yīng)用文中提到的設(shè)備和產(chǎn)品，進行產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)，將盡心竭力地為客戶提供極具競爭力的精品產(chǎn)品，同時也致力于ZigBee技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展，為推動短距離無線通信技術(shù)在市場中的應(yīng)用做出自己微薄的貢獻。