2.4GHz頻段ZigBee模塊射頻指標(biāo)測試方法*

夏俊雯于磊詹志強(qiáng)陶衛(wèi)/ 1.上海交通大學(xué)；.上海市在線檢測與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

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2.4GHz頻段ZigBee模塊射頻指標(biāo)測試方法*

夏俊雯1，2于磊1，2詹志強(qiáng)2陶衛(wèi)2/ 1.上海交通大學(xué)；2.上海市在線檢測與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

摘 要通過對ZigBee模塊在2.4 GHz頻段射頻指標(biāo)測試方法的研究，利用上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院通信實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備——矢量信號發(fā)生器、矢量信號分析儀、微波峰值功率計(jì)等對TI公司CC253X系列的ZigBee模塊進(jìn)行射頻指標(biāo)的測試。試驗(yàn)結(jié)果符合IEEE 802.15.4-2011中的技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了ZigBee模塊射頻指標(biāo)的溯源。研究得出的測試方法同樣適用于其他生產(chǎn)廠不同型號模塊的射頻指標(biāo)測試，滿足了不同客戶的需求，同時(shí)促進(jìn)了ZigBee在各領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

關(guān)鍵詞物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；射頻指標(biāo)；測試；ZigBee模塊；2.4 GHz

0　引言

Zigbee是部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù)。它是一種短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也是一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的嶄新近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。它具有廣闊的市場前景，作為目前全球公認(rèn)的最后100 m主要技術(shù)解決方案，ZigBee得到了全球主要國家前所未有的關(guān)注。這種技術(shù)由于相比于現(xiàn)有的WiFi、藍(lán)牙、433M/315M等無線技術(shù)更加安全、可靠，同時(shí)由于其組網(wǎng)能力強(qiáng)、具備網(wǎng)絡(luò)自愈能力并且功耗更低。ZigBee的這些特點(diǎn)與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求非常貼近，目前已經(jīng)成為全球公認(rèn)的最后100 m的最佳技術(shù)解決方案,其在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用愈加廣泛，常見的有智能家居、樓宇自動(dòng)化、礦井人員定位、倉儲(chǔ)跟蹤、醫(yī)療等。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，ZigBee芯片質(zhì)量成為供求雙方都關(guān)注的問題，其射頻指標(biāo)的好壞影響到ZigBee系統(tǒng)的通信性能。雖然IEEE 802.15.4-2011標(biāo)準(zhǔn)中對ZigBee模塊射頻指標(biāo)做了明確規(guī)定，但如何測量這些指標(biāo)并未提及，國內(nèi)也未發(fā)布相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)。如何溯源以及溯源方法是否準(zhǔn)確成為生產(chǎn)廠以及使用者共同關(guān)心的問題。

1　ZigBee常見的芯片種類

1）CC2430：這是TI公司的一個(gè)關(guān)鍵產(chǎn)品，可用于各種ZigBee或類似ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。

2）CC2530：它是TI公司繼CC2430、CC2431之后的又一款2.4 GHz（2.4～2.483 GHz）ISM ZigBee產(chǎn)品。

3）Freescale MC1321x：MC1321x是飛思卡爾半導(dǎo)體公司推出、符合IEEE 802.15.4-2011的下一代收發(fā)信機(jī)，它包括一個(gè)集成的發(fā)送/接收（T/R）開關(guān)，可以幫助降低對外部組件的需求，從而降低原料成本和系統(tǒng)總成本。

4）STM32W108：意法半導(dǎo)體（ST）公司于2009年底推出的STM32W系列無線射頻WSN/ZigBee單片機(jī)，片上整合了2.4 GHz IEEE 802.15.4-2011收發(fā)器。

本文以TI公司CC253X系列的ZigBee模塊為例，介紹其射頻技術(shù)指標(biāo)測試方法。

2　技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)IEEE 802.15.4-2011，ZigBee模塊射頻指標(biāo)如下:

1）發(fā)射部分

（1）輸出功率不小于-3 dBm；

（2）EVM小于35%；

（3）中心頻率容限：±40×10-6；

（4）頻譜模板測試，包括相對功率譜密度、絕對功率譜密度（使用100 kHz RBW測量），具體要求見表1。其中fc是中心頻率，參考功率為其±1 MHz載波頻率內(nèi)測得的最高平均譜功率。當(dāng)|f-fc|>3.5 MHz時(shí)讀取f點(diǎn)的峰值功率，要求其比參考功率低-20 dB，同時(shí)絕對功率必須低于-30 dBm。

表1　2.45GHz頻段ZigBee頻譜發(fā)射模板

2）接收部分

（1）接收模塊靈敏度：-85 dBm或者以下；

（2）接收模塊干擾抑制；相鄰信道0 dB，備用信道30 dB；

（3）最大輸入電平：-20 dBm；

（4）頻率允許誤差：±40×10-6。

3　測試用主要設(shè)備

根據(jù)前面介紹的技術(shù)指標(biāo)，結(jié)合本通信實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的設(shè)備狀況，ZigBee模塊射頻指標(biāo)的測試選用下列主要設(shè)備。

3.1矢量信號發(fā)生器

矢量信號發(fā)生器主要用于產(chǎn)生矢量信號，即數(shù)字通信中常用的調(diào)制信號，支持I/Q調(diào)制。頻率上限3 GHz，電平范圍為-130～15 dBm，同時(shí)設(shè)備需內(nèi)置ZigBee軟件產(chǎn)生ZigBee協(xié)議信號。本次測試需要使用兩臺(tái)矢量信號發(fā)生器，一臺(tái)用于產(chǎn)生測試信號，另一臺(tái)用于產(chǎn)生干擾信號。

3.2矢量信號分析儀

矢量信號分析儀把時(shí)域、頻域和調(diào)制域分析集于一體，為復(fù)雜的時(shí)變信號提供最先進(jìn)的測量，可以實(shí)現(xiàn)ZigBee信號的矢量解調(diào)，并實(shí)現(xiàn)ZigBee輸出信號的頻譜模板測試。

頻率上限大于3 GHz，具有ZigBee信號的解調(diào)選件。

3.3微波峰值功率計(jì)

微波峰值功率計(jì)主要用于輸出ZigBee信號突發(fā)功率測量，頻率范圍覆蓋2.4 GHz。

3.4定向耦合器

定向耦合器主要用于ZigBee模塊接收模塊性能測試時(shí)的干擾信號耦合，耦合度為20 dB，方向性大于40 dB，頻率范圍應(yīng)覆蓋2.4 GHz頻段。

4　測試方法

由于TI公司生產(chǎn)的CC253X系列芯片主要用于各類ZigBee生產(chǎn)廠商開發(fā)ZigBee應(yīng)用器件，這類芯片無法直接設(shè)置發(fā)射、接收狀態(tài)，更沒有輸出端口檢測射頻指標(biāo)，故通常需要選擇同芯片相配合的評估套件以及開發(fā)套件進(jìn)行測試。ZigBee芯片、ZigBee評估套件及ZigBee開發(fā)套件，如圖1所示。

圖1?。?）ZigBee芯片　（2）ZigBee評估套件?。?）ZigBee開發(fā)套件

搭配評估、開發(fā)模塊后可將模塊的發(fā)射、接收口連接相關(guān)的檢測設(shè)備進(jìn)行以下參數(shù)的測試。

4.1輸出功率

ZigBee模塊輸出功率的準(zhǔn)確性對ZigBee模塊的使用具有非常重要的作用，輸出功率使用微波峰值功率計(jì)來測量。

如圖2連接設(shè)備，打開開發(fā)模板，選擇模塊類型，再選擇通信信道。本次測試選擇2 405 MHz，也就是Ch.11。由于每個(gè)CC253X系列模塊都可用于發(fā)射或者接收，故選擇完頻段后仍需要選擇模塊的模式。此時(shí)選擇發(fā)射，可進(jìn)入選擇發(fā)射功率設(shè)置菜單。在菜單中選擇一個(gè)功率點(diǎn)輸出，若選擇輸出模式為Packet TX，采用微波峰值功率計(jì)讀取模塊的輸出功率值，與標(biāo)稱值進(jìn)行比較，可計(jì)算出誤差值；若選擇輸出模式為Continuous TX，則采用微波功率計(jì)讀取模塊的輸出功率值。

圖2　輸出功率測試

由于輸出功率的不確定度來源主要有功率計(jì)的功率測量誤差、失配誤差以及測量重復(fù)性。其中功率計(jì)的功率測量誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為0.055 dB，失配誤差引起的不確定度分量為0.06 dB，測量重復(fù)性引起的不確定度分量為0.01 dB，經(jīng)計(jì)算可得測量結(jié)果的不確定度為Urel= 0.20 dB（k = 2）。

表2　ZigBee信道頻段分配

4.2發(fā)射信號EVM

EVM（Error Vector Magnitude）實(shí)質(zhì)上是指調(diào)制誤差，如圖3所示。

圖3　調(diào)制誤差計(jì)算

測量時(shí)碼片分I、Q兩路，其值用（Ij，Qj）表示。接收到碼片之后進(jìn)行判決是接收到哪種碼片，其值用表示。判決的誤差為（δIj，δQj）。那么就有下面的公式：

調(diào)制誤差表示為

式中：S —— 理想星座點(diǎn)的矢量幅度；

1≤N≤1 000；

1≤j≤N

運(yùn)行CC253X軟件，設(shè)定其輸出頻率為CH20，2 450 MHz，輸出功率為-10 dBm，選擇發(fā)射1 000個(gè)包。

測量EVM時(shí)，將ZigBee模塊連接一臺(tái)矢量信號分析儀，基本設(shè)置如下：調(diào)制格式為Offset QPSK；Symbol rate為1 MHz；Result length為500；Points/ symbol為10；Measurement filter為off；Reference filter為half-sin；Alpha/BT為0.35；Search length 3 ms；選中Pulse search，確認(rèn)星座圖正確完整后可讀取EVM。

由于EVM的不確定度來源主要有矢量信號分析儀測量EVM的最大允許誤差、矢量信號分析儀的分辨力以及測量重復(fù)性。經(jīng)過評定，可得矢量信號分析儀測量EVM的最大允許誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為0.29%，矢量信號分析儀的分辨力引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為0.000 3%，測量重復(fù)性引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為0.01%，根據(jù)計(jì)算可得測量結(jié)果的不確定度為U = 0.6%（k = 2）。

4.3發(fā)射信號頻率容限

IEEE 802.15.4-2011允許發(fā)射信號存在±40× 10-6的頻率偏移。接收模塊的頻率也可存在最多±40×10-6的誤差。因此，發(fā)射模塊和接收模塊之間的總頻率偏移容限為±80×10-6。接收模塊可執(zhí)行自動(dòng)頻率控制單元來補(bǔ)償頻率偏移，借此提高其靈敏度等級。

發(fā)射模塊的頻率容限測試設(shè)備連接圖如圖4所示。連接設(shè)備后，發(fā)射信號，讀取矢量信號分析儀的解調(diào)結(jié)果，讀取其中的中心頻率值，并根據(jù)發(fā)射模塊設(shè)定的頻率值計(jì)算誤差，利用下面公式計(jì)算其發(fā)射中心頻率容限。

式中：Δf —— 矢量信號分析儀的頻率誤差讀數(shù)；

f0—— ZigBee模塊輸出頻率設(shè)定值；

δf —— 發(fā)射中心頻率誤差

圖4　EVM測試

4.4頻譜模板

由于基帶的碼片速率是2 Mchip/s，因此其帶寬肯定在2 MHz以上。脈沖成型后的波形實(shí)際包含無限頻率成分，不同頻率成分的幅度不同，其高頻的成分幅度實(shí)際很小。但如果把脈沖成型后的信號直接發(fā)送出去，其帶外功率就不滿足規(guī)定要求了，即帶外的頻率幅度會(huì)較高，解決辦法是在發(fā)射端對基帶信號進(jìn)行濾波，降低帶外輻射。

測試連接圖如圖4所示。將ZigBee發(fā)射模塊連接矢量信號分析儀，按照要求設(shè)定ZigBee模塊的輸出信號頻率和輸出功率，設(shè)定矢量信號分析儀的中心頻率與ZigBee模塊輸出頻率相同，在矢量信號分析儀的頻譜顯示圖中測量其輸出信號是否滿足模板要求。測試時(shí)采用100 kHz帶寬，首先讀取輸出信號中心最高峰值時(shí)的信號輸出功率，標(biāo)記此時(shí)的功率為A1，然后將中心頻率偏置+3.5 MHz，讀取此時(shí)的通帶功率值A(chǔ)2+dBm，再將中心頻率偏置-3.5 MHz，讀取此時(shí)的通帶功率值A(chǔ)2-dBm。A2+和A2-的值應(yīng)該比A1電平小20 dB以上,并且A2+和A2-的值應(yīng)該都小于-30 dBm。

4.5接收靈敏度

接收靈敏度是指接收模塊能夠正確進(jìn)行接收時(shí)信號功率的最小值，此時(shí)沒有任何干擾，因此影響接收的就是噪聲，包括熱噪聲、內(nèi)部處理帶來的噪聲等。IEEE 802.15.4-2011規(guī)定，測量靈敏度時(shí)每個(gè)幀的PSDU長度為20個(gè)字節(jié)，發(fā)送1 000個(gè)包，保證誤碼率低于1%。

根據(jù)圖5連接設(shè)備，設(shè)置矢量信號發(fā)生器的輸出頻率為2 405 MHz，輸出電平為-70 dBm。運(yùn)行ZigBee模塊的誤碼率測試程序，讀取誤碼率，此時(shí)應(yīng)為0。繼續(xù)以1 dB的間隔減小矢量信號發(fā)生器的輸出電平，同時(shí)讀取ZigBee模塊的誤碼率，當(dāng)為1%時(shí)，讀取矢量信號發(fā)生器的輸出功率值，此即接收模塊靈敏度。

圖5　接收靈敏度測試連接

4.6接收模塊干擾抑制

接收模塊干擾抑制是接收端對帶外信號功率的抑制，這是保證無線通信設(shè)備共存性的重要規(guī)定。因?yàn)閹庑盘柌辉诮邮疹l段范圍內(nèi)，如果不采取干擾抑制，就會(huì)對接收設(shè)備造成干擾。IEEE 802.15.4-2011規(guī)定的相鄰信道、備用信道定義如表3所示。

接收模塊干擾抑制測試需要兩臺(tái)矢量信號發(fā)生器外加一個(gè)定向耦合器，圖6為其測試方框圖。矢量信號發(fā)生器1的輸出接至定向耦合器的直通臂，矢量信號發(fā)生器2接耦合臂（耦合系數(shù)為20 dB），ZigBee終端接至直通臂輸出。

表3　頻道

圖6　接收模塊干擾抑制測試連接

在相鄰信道干擾測試中，預(yù)期信號和相鄰信道干擾功率相等（-82 dBm），且預(yù)期信號是個(gè)偽隨機(jī)的IEEE802.15.4-2011標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制信號，即設(shè)定矢量信號發(fā)生器1輸出頻率為2 450 MHz，輸出功率為-82 dBm；設(shè)定矢量信號發(fā)生器2輸出頻率為2 455 MHz，輸出功率為-62 dBm（由于信號發(fā)生器的輸出接至定向耦合器的耦合臂，其耦合度為20 dB，減去20 dB的耦合度就實(shí)現(xiàn)了輸出信號為-82 dBm），此時(shí)的誤碼率應(yīng)小于1%。減小矢量信號發(fā)生器2的輸出信號電平，同時(shí)觀察誤碼率，到誤碼率為1%時(shí)記錄其輸出電平。此電平減去20 dB即干擾信號電平，此電平減去-82 dBm即為輸出信號的相鄰信道功率抑制。

將矢量信號發(fā)生器2的輸出頻率更改為2 445 MHz，重復(fù)以上步驟。

備用信道干擾測試方法同相鄰信道干擾測試，只需要將矢量信號發(fā)生器的輸出功率相較之前減小30 dB。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)規(guī)定備用信道功率需高于預(yù)期信號30 dB。

4.7接收模塊最大輸入電平

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，接收模塊最大輸入電平應(yīng)大于等于-20 dBm，測試條件及方法同靈敏度測試。記錄誤碼率PER達(dá)到1%時(shí)矢量信號發(fā)生器的輸出功率。

4.8接收模塊的頻率容限

改變中心頻率值，同時(shí)測量其誤碼率PER。當(dāng)PER達(dá)到1%時(shí)，其接收模塊頻率容限應(yīng)滿足±40×10-6。

運(yùn)行矢量信號發(fā)生器中的ZigBee信號輸出軟件，設(shè)置其中心頻率為2 450 MHz，設(shè)置CC253X模塊為接收機(jī)狀態(tài)。

正向改變輸出信號頻率，直至變?yōu)? 450.098 MHz（此時(shí)的接收模塊頻率偏差為+40×10-6），負(fù)向改變矢量信號發(fā)生器的輸出信號頻率，直至變?yōu)? 449.002 MHz，運(yùn)行誤碼率測試軟件，觀看誤碼率，此指標(biāo)應(yīng)小于1%。

5　結(jié)語

表4為對TI公司CC253X模塊的測試結(jié)果。從表4可以看出，其技術(shù)指標(biāo)符合要求。

表4　測試結(jié)果

本文的研究結(jié)果同樣適用于其他不同型號ZigBee模塊的射頻指標(biāo)測試。

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ZigBee模塊基本上包括下列組件：微處理器、內(nèi)存、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、通用輸入/輸出端口、射頻模塊。由于一個(gè)ZigBee收發(fā)模塊不會(huì)同時(shí)接收和發(fā)射，故本文將模塊的發(fā)射、接收指標(biāo)分開列出。

The test methods for RF specification of the ZigBee module on 2.4 GHz frequency band

Xia Junwen1,2, Yu Lei1,2, Zham Zhiqiang2, Tao Wei1
（1.Shanghai JiaoTong University; 2.Key Laboratory of Shanghai On-line measurement and control technology）

Abstract:Based on the research of test methods for RF specification of the ZigBee module on 2.4 GHz frequency band, the existing equipments of the Communication Laboratory of SIMT, such as vector signal generator, vector signal analyzer and microwave peak power meter, are used to test RF specification of series CC253X ZigBee module developed by TI Company. The test results meet the technical requirements of IEEE 802.15.4-2011, and realize the traceability of RF spcification of ZigBee module. The test methods are also applicable to RF specification of different types of modules developed by other companies. They meet different demands of customers, and promote the application and development of ZigBee modules in various fields.

Key words:internet of things; ZigBee; RF specification; test, ZigBee module; 2.4 GHz

*基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAK02B04）；國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014QK138）