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展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發現的新食物源的位置、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，標準規定了數據流的映射、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基礎上發展起來的一種恒包絡數字調制技術。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小；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測試規范，ZigBee系統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

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

圖2   ZigBee收發測試框圖

通過使用頻譜儀接收來自ZigBee的發射信號和信號源發射供ZigBee工作的射頻信號完成ZigBee發射機和接收機的測試，下面詳細介紹ZigBee的發射測試和接收測試。

4.1  發射測試

ZigBee測試規范主要依據IEEE 802.15.4標準，R&S公司提供符合IEEE 802.15.4標準規定的發射機測試方案，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、雜散發射、發射功率及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進行特定數據的編輯，具體參見圖7；ZigBee幀結構設置：在WinIQSIM軟件中，可方便地通過數據編輯器進行ZigBee幀結構的數據進行編輯，具體參見圖8。

圖7  WinIQSIM數據編輯

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據通信的發展，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。