概观
ZigBee 楦鋈饲域网路 (Personal area network，PAN) 的无线标剩适用於感测器监控与操控。此篇技能文件可了解 NI 联盟同伴 SeaSolve 公司所开发的 ZigBee 测验组合，包括 Transmit (Tx)、Receive (Rx)，与相容性测验。在此运用阐明中，咱们将针对各测验类型概述测验办法与技能。
ZigBee 便是 IEEE 802.15.4，槲尴咦爸弥间的低功率短距通讯标省４吮使槔槲尴吒鋈饲域网路 (Wireless Personal Area Network，WiPAN);该区域网路亦包括蓝芽 (IEEE 802.15.3) 标省
ZigBee 标室阎鸾ヒ起商业与军事a业的爱好，适用於如无线感测器网路、家庭自动化，与工业级操控的运用。ZigBee 标手所以会逐步受到重视，即因 ZigBee 适用於可构成自组 (Self-forming) 与自疗 (Self-healing) 的随建即连 (Ad hoc) 网路或Ш (Mesh) 网路设备。此计划的中心「PAN coordinator」设备，将监控网路组态的景象。在最近几年中，感测器网路亦成榫事/战场运用的研讨主题。因而将 ZigBee 标视渺抖ㄒ Ad hoc 战场智慧型计划的通讯作业，亦引起更多的留意。
ZigBee 标准之所以适用於远端无线感测器的原因之一，即由於其低功率的 PHY 实体层 (Physical layer)。大致上来说，PHY 标准可让 ZigBee 设备以下列 3 种频带之一进行作业：868 MHz (欧洲)、915 MHz (北美)，与 2.4 GHz (国际通用)。ZigBee 收发器最常用的即 2.4 GHz 频带，并运用 OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keyed) 调变串流。与相似架构相较，OQPSK 仅需较低功率亦可到达同等或较佳的传输率，因而成榇统 QPSK 的衍生架构。OQPSK 运用 90 度的最大相位转化 (Phase transition)，将符码 (Symbol) 转橄 1 个符码。此特性可防止符码过冲 (Overshoot)，且所需的传输功率略低於传统 QPSK 调变架构。此规划整合 5 MHz 通道频宽，可让设备以合理功率到达最高每秒 250 kb 传输率。
由於 ZigBee 收发器是针对低功率运用所规划，因而 PHY 实体层相对可容许较大的过错。事实上，该设备可容许最高 35% 的 EVM，却仍保持合理的位元过错率 (BER) 效能。因而，此体系需求透过更多测验办法，以进行规划查验作业。在下列章节中，咱们将阐明需求特定测验的理由，并供给高准确度测验的诀窍。
如从前所述，咱们将分 3 个部分进行阐明。包括：
以向量信号剖析器 (VSG) 进行传输器测验 (Transmitter Testing)
以向量信号a生器 (VSA) 进行接纳器测验(Receiver Testing)
以 VSA 与 VSG 进行自动化相容性测验 (Automated Compliance Testing，ACT)
ZigBee 传输器测验
当测验 ZigBee 收发器的 Tx 信号质量时，有必要运用向量信号剖析器，以了解频谱资讯与调变后的信号质量。其间 1 个处理计划，便是运用 SeaSolve 公司的 WiPAN LVSA Signal Analysis 东西组，调配 PXI-5660 向量信号剖析器。透过此软体组合，咱们即可於 IEEE 802.15.4 的相容信号中履行频谱与调变量测。但请谨记：此 2 种量测类型均樯杓萍煅橛肷a测验所必要。概略来说，ZigBee 传输器的频谱放射 (Spectral emission) 作业，将决议其与 ISM (工业、科学，与医疗) 频带设备之间的互通性。此外，Tx 信号的调变质量将整合天线效能，以决议该设备可安稳作业的间隔长短。常见的测验设定即橄峦妓示。
图 1. 传输器可透过直接连接或无线介面进行常见测验。
常见的频谱量测包括：功率频谱密度、子闷悼怼⒏ (Upper)/低 (Lower) 频带功率，与频带总功率。此外，常见的调变剖析东西包括：星座图 (Constellation plot)、眼图 (Eye diagram)、互补累积分押数 (Complementary cumulative distribution function，CCDF) 曲线，与退回的位元流 (Bitstream)。常见调变量测椋捍砦笙蛄糠度 (Error vector magnitude，EVM)、频率偏移，与位元过错率 (BER)。请留意，不同的a品开发阶段，均有必要进行不同的量测与剖析作业。举例来说，开发的规划查验阶段，需求如星座图的敏锐剖析东西，以针对a品规划的多种问题进行除错。而就生a测验来说，则需求如 EVM 与频率偏移此类属於界说性的量测，以比较体系效能与测验约束。
ZigBee Tx 频谱剖析
接著将阐明各项根底频域 (Frequency domain) 量测与其重要性。并请留意，下列每项量测均可运用频谱剖析器或向量信号剖析器。由於向量信号剖析器亦可用於调变量测 (下段将接著阐明)，因而一般均引荐运用之。
功率频谱密度(Power Spectral Density，PSD)
功率频谱密度 (PSD) 可显现材料封包功率涣散於广大频率规模中的景象。此项量测可保证传输器是於 IEEE 802.15.4 标实钠灯渍谡种凶饕怠Ｈ缤 2 所示，频率遮罩正与输出功率进行比较。频率遮罩即橥贾邪咨线条，代表传输器可发射至附近频带 (Adjacent band) 的功率约束。当进行设备的除错作业时，若滤波器规划欠佳或放大器所紧缩的印象，均或许於附近频带中构成多N的功率。
图 2. 功率频谱密度图
带中功率 (Power in Band)
带中功率量测，将核算特定通道或频带中的整合功率 (dBm)。此项量测将可保证传输器不致超越 IEEE 802.15.2 标实墓β使娓瘛
子闷悼 (Occupied bandwidth)
子闷悼斫退回特定频带的频宽，其间包括 99% 的频展 (Span) 总功率。
附近通道功率(Adjacent Channel Power)
附近通道功率量测，将包括高 (Upper) 频带与低 (Lower) 频带中的功率。依据 IEEE 802.15.4 标剩高频带槌向作业频率右方的 5MHz;低频带槌向作业频率左方的 5MHz。
基频 (Baseband) 量测
基频 (Baseband) 参数量测，将保证 ZigBee 的传输封包可由接纳器进行解码。由於 ZigBee 收发器即规划榈凸β首饕担且不需求过高的材料传输率，因而往往献身调变质量以下降耗用功率。全体来说，量测质量是榱似拦牢辉过错的或许性 (Likelihood)。以下图槔，咱们将 BER 做 EVM (%) 的函式以进行评价。
图 3. QPSK 调变传输中的 BER vs. EVM
如图所示，当 QPSK 收发器的 EVM 从 15% 提高至 30% 时，BER 将大幅添加。相对来说，大多数 ZigBee 设备在进行作业时，其 EVM 有必要低於 35%。因而，量测调变的准确度更显重要，以保证收发器可以於该咽鸹肪持薪行有用作业。如下所述，仅需数个插槽与量测作业，即可完结该项需求。
过错向量起伏(Error Vector Magnitude，EVM)
EVM 可帮忙发现多项问题与减损 (Impairment) 处，如部分震U器 (Local Oscillator，LO) 安稳性、中频 (IF) 滤波器、紧缩 (Compression)、符码率 (Symbol rate)，与搅扰音频 (Interfering tone)。透过 EVM 量测，即可了解体系线性度 (Linearity) 与功率。在剖析程序期间，运用者可随时查看 EVM 是否低於 35% 的标侍囟ú慰贾担以保证传输信号的解调 (Demodulation) 作业无虞。一般来说，亦可透过各符码根底与 RMS EVM% 量测作业得到 EVM;而后者更可针对整组封包获得 EVM 平均值。下图即槊糠码 EVM 量测的典范：
图 4. 针对所传输 ZigBee 封包的各符码 EVM。
星座图(Constellation Plot)
星座图可呈现解调往后的基频波形。由於星座图可找出如 IQ 增益失衡 (Gain imbalance)、DC 偏移、相位差曲解 (Quadrature skew)，与其他减损，因而成樯杓萍煅榻锥巫钪匾的图表之一。不同於仅供给简略数值的 EVM 量测，星座图亦可呈现过错来历。如下图所示，赤色代表驮 (Recovered) 符码，而白色代表符码传输。
图 5. ZigBee 传输信号的星座图。
在星座图中，咱们可看到依图表参数所产生的一切传输作业 (以白色显现)，且其并未穿过中心。此即榱硗 1 种方法的 OQPSK 结构，且其耗用功率低於传统的 QPSK 结构。
尽管 EVM 属於可进行减损量化 (Quantifying) 的特别机制，但星座图的尺度与外型，更可清楚指出减损类型与方位。榱怂得鞔斯δ埽下方星座图即显现了过错的 Tx 信号。
图 6. 包括减损的 ZigBee Tx 星座图。
在图 6 中，咱们只需调查星座图的根本特性，即可了解该减损的所属类型。首要，咱们可发现该图是以顺时的办法轻轻延展 (即 Θ 角小於 90 度)。透过此特性，即可了解该减损属於相位差曲解。换句话说，部分震U器 (LO) 的同相 (In-phase) 与 4相位 (Quadrature-phase) 元件，并非准确的 90 度反相位 (Out of phase)。尽管 EVM 可透过数值得知多项减损，但星座图却可进一步找出过错来历。
眼图 (Eye Diagram)
眼图亦可表明 Tx 信号的调变特性。与星座图相反，眼图可检视信号的时域 (Time domain)，并可呈现其方法或通道失真。透过此量测办法，工程师可决议最佳取样点 (Sampling point) 并进行材料解码。剖析作业期间，运用者亦可在移除偏移 (OQPSK -> QPSK) 之后，查看信号中的最大开口 (Eye-opening)，以查验解调的特点。
材料位元数
要量化接纳器效能的常见办法之一，便是进行位元过错率 (BER) 的量测。由於低 EVM 很少产生过错，因而依调变质量的不同，BER 量测或许极楹氖薄Ｒ嘁蛉绱耍往往於规划查验进程期间，进行延伸的 BER 测验。在生a测验中，亦会进行较简略的 BER 测验。只需回传以 1 与 0 字串所代表的解码原始材料，即可进行 BER 量测作业。只需将这些数值与已知的传输作业相比较，即可核算出 BER。
互补累积分押数(CCDF)
互补累积分押数 (Complementary Cumulative Distribution Function，CCDF) 可剖析信号的功率特性。依据从前所提，ZigBee 标准亦将界说 OQPSK 调变架构的运用办法，以将所需功率压至最低。因而，在抱负状况下，只需 Tx 可达安稳功率，传输器即可到达最大功率效益。下图即 CCDF 曲线，可调查功率是否产生改变。此图即代表功率并未产生改变。
图 7. 完美的累积分押数，即代表 Tx 封包的质量。
如图所示，CCDF 曲线可表明高於平均功率的功率百分比。在抱负条件下，CCDF 曲线的右侧橥昝赖拇怪毕摺Ｔ诖税咐中，功率放大器可保持最高的功率效益，而不会产生过溢 (Saturation)。
ZigBee 接纳器测验
ZigBee 接纳器的测验需求，往往分 2 个部分：MAC Layer 模仿与实体层 (PHY Layer) 的减损测验。MAC Layer 模仿作业，将用以承认 ZigBee 接纳器可适当回应所a生的指令。而减损测验作业，将继续下降测验激起 (Test stimulus) 的调变质量，藉以测验接纳器。只需运用 SeaSolve 公司的 WiPAN LVSG 信号a生处理计划，并调配 PXI 向量信号a生器，即可建置上述 2 项测验。下图即阐明相关测验作业。
图 8. WiPAN 对应至 ZigBee 的协议堆迭
如上图所示，IEEE 802.15.4 标识ㄒ辶 ZigBee 传输的 MAC Layer 与 PHY Layer。常见的测验程序，则是以封包a生作业进行 MAC Layer 模仿;成心构成信号减损以测验 PHY Layer。
ZigBee 讯框类型
ZigBee 传输作业的媒体存取操控 (Media Access Control，MAC) 层，可界说根本的封包与讯框 (Frame) 架构。IEEE 802.15.4 标准则界说接纳器测验作业的 4 种根本讯框架构。这些讯框类型包括：
目标讯框 (Beacon frame) 可透过和谐器 (Coordinator) 传输目标。目标封包将⒍节点，以找出附近的其他封包。
材料讯框 (Data frame) 可用於一切的材料酬载 (Payload) 转化
认可讯框 (Acknowledgment frame) 可承认讯框接纳成功
MAC 指令讯框 (Command frame) 可处理 MAC 同层实体 (Peer-entity) 的操控转化
其间 MAC 指令讯框具有最高弹性。此外，接纳器测验亦与特定子讯框有关，依类型列於下方：
Association request – 橛 PAN 和谐器相干系的恳求。
Association response – 樾调器以相关 (Association) 状况做出的回覆 (或许性包括：Association Successful、PAN at capacity、Access denied)
Disassociation notification – 是由设备或和谐器所运用，可告诉其他节点非相关性 (Disassociation)。
Data request – 可自和谐器讨取材料。
PAN ID conflict notification – 表明产生 PAN 辨认器 (Identifier) 抵触
Orphan notification- 代表相关设备 (Associated device) 已无法与该和谐器进行同步化
Beacon request – 用於同步化，并可传输超讯框 (Superframe) 资讯
Coordinator realignment – 可让和谐器回覆 Orphan Notification 指令。当 PAN 特点因逻辑通道资讯而产生改变时，亦将运用此子讯框。此子讯框可传输至全体 PAN 或单一的独立 (Orphan) 设备。
GTS request – 由相关设备运用，可要求分配新的保证时槽 (Guaranteed time slot，GTS)，或要求撤销 PAN 和谐器的现有 GTS 分配。此子讯框亦可界说 GTS 栏位的长度、方向，与类型。
MAC 讯框栏位设定
此外亦可设定 MAC 讯框栏位。常见栏位包括：Frame type、Encryption、Acknowledgement、Frame pending、Inter/Intra PAN、Addressing fields、destination and source addressing modes、sequence number、Destination PAN identifier、Destination MAC address、Source PAN identifier，与 Source MAC address。
a生器减损
由於效能、功率，与本钱之间常常有必要有所取危因而 ZigBee 收发器有必要以相对较低的调变质量进行作业。但是，ZigBee 收发器测验作业却也构成另 1 道难题。当履行测验时，实验室有必要模仿苛刻环境，以保证收发器可到达效能标准，并可相容於 IEEE 802.15.4 标省WiPAN LVSG 软体可套用多种减损景象，以测验设备互通性 (Interoperability)，以了解传输作业的缺陷与实体通道的问题。并可新增特定减损，包括：无回忆非线性 (Memoryless nonlinearity)、AWGN、频率偏移、DC 偏移、I/Q 增益失衡、相位差曲解，与相位杂讯。
无回忆非线性 (Memoryless Nonlinearity)
如功率放大器的元件即属於非线性，且或许於传输信号中构成失真。一般来说，由於非线性将於振幅中继续a生动摇，因而调变信号特别简单受到影响。还好，ZigBee 设备均运用 OQPSK 调变架构，a生失真的机率均低於最遍及的调变架构。但是，又由於功率需求的关S，ZigBee 收发器往往有必要投合功率放大器进行规划，而常构成过溢 (Saturation) 景象。榱怂得鞔烁拍睿咱们於下图中显现功率放大器的根本模仿模型。
图 9. 规划欠佳的功率放大器常产生过溢景象。
当功率放大器到达满溢点时， Tx 信号即或许产生严峻的失真。因而，接纳器查验作业即有必要模仿此项 ZigBee 收发器特性。
加成性高斯白杂讯 (Additive White Gaussian Noise，AWGN)
加成性高斯白杂讯 (AWSN)，樽钇毡榈 Tx 信号讯噪比 (SNR) 模仿办法。若能下降 SNR，则可当即影响相位与振幅的嗜范取Ｍ腹星座图，即可清楚看到 AWGN 所构成的符码分散 (Symbol spreading)。下图即显现此现象。
图 10. 包括 25 dB Eb/N0 的 ZigBee 传输作业。
由於 SNR 将与传输间隔成反比，因而 ZigBee 若进行长间隔传输作业，将下降接纳器的 EVM。一如图 3 中所示，较高的 EVM 将提高位元过错的或许性，并下降全体体系效能。
频率偏移 (Frequency Offset)
Tx 与 Rx 部分震U器此 2 组不同的设备，若以些微不同的频率进行操作，即会产生频率偏移的景象。RF 信号若产生频率偏移，则将於基频波形中构成细微的载波偏移。一般来说，若基频波形产生小幅的载波偏移，则可透过信号处理运算式移除之。因而，只需将细微的载波偏移套用至测验激源中，即可於规划查验阶段测验此项特性。若不妥善处理频率偏移，则将构成接纳器无法以传输信号进行载波确认 (Carrier lock)。
DC 偏移
DC 偏移 ZigBee 传输器的基频 I 与 Q 输出常见问题。此减损现象或许构成载波漏，从而影响调变信号的质量。一起导致接纳器的 EVM 升高，并a生位元过错。榱艘确认接纳器可妥善处理 DC 偏移，则有必要於规划查验阶段套用此减损现象。
I/Q 增益失衡 (Gain imbalance)
I/Q 增益失衡属於基频减损，将影响调变信号的质量。咱们可透过星座图调查到增益失衡。好像下图所示，I/Q 增益失衡即於星座图中呈水平或笔直延伸。
图 11. 此 6 dB L期性增益失衡的星座图。
好像上图所示，该现象属於L期性增益失衡，即定时於星座图的水平轴与笔直轴上延伸。在图 11 中，该增益设定以 6 dB 的起伏定时改变。若针对 RF 建置直接升转化作业，则增益失衡极有或许a生影响。此现象原因於基频子体系 I 与 Q 输出之间的振幅落差 (Amplitude disparity)，并或许由於接纳器的 EVM 而提高其强度。
相位差曲解 (Quadrature skew)
相位差曲解是由不准确的 Quadrature-phase LO 所构成。在抱负的直接降转化体系中，同相 (In-phase) 与 4 相位 (Quadrature-phase) LO 元件，应槿肥档 90 度反相位 (Out of phase)。但是，只需抱负值呈现些微差错，则或许影响解调基频波形的相位与振幅。此现象即如上方图 6 的星座图所示。如该图所示，由於 EVM 升高，因而所回传的符码均稍稍曲解出该抱负方位。
相位杂讯 (Phase noise)
相位杂讯是因部分震U器产生过错，所构成的减损现象。咱们可先将相位杂讯想像檎弦曲线所产生的瞬间颤动。在频域 (Frequency domain) 中，此颤动将构成载波的「分散 (Spreading)」;并针对所需的中心频率来说，其功率所a生的频率将构成偏移。下图即显现此现象。
图 12. 相位杂讯将跨附近频率以分散 LO 的功率。
如图 12 所示，一般只需透过载波不同频率偏移的功率强度，即可测得相位杂讯。尽管不同的频率偏移均可指定相位杂讯，不过元件之间最遍及的公定比较作业均运用 10 KHz 偏移。
若将颤动参加至调变信号的时域中，则相位杂讯亦将构成解调基频波形的相位不定性 (Uncertainty)。在星座图中，只需留意符码的分散景象与星座图的参数，即可发现相位杂讯。
自动化 ZigBee 的相容性测验
到现在橹梗咱们别离评论了量测作业与减损现象，以进一步了解 ZigBee 设备的接纳/传输效能与特征。但是，ZigBee 设备更可一起进行传输与接纳 (收发器) 的功用。也因而 ZigBee 收发器的生a测验，有必要一起进行此 2 项功用。Seasolve 公司的 Automated Compliance Testing 软体，可供给 Tx 与 Rx 的测验序列，以透过 IEEE 802.15.4 标剩敏捷标定 DUT 的相容性与效能。此软体除了可履行上述的多项测验作业之外，并供给测验成果的具体报表。
这些测验功用均最佳化其速度，以缩短测验时刻;并透过多家顶级u造商的 RF 晶片，查验其准确度。咱们无法於此逐个胪陈测验作业的细节，仅於下方列出常见的测验参数：
PLL 频率测验
TX 增益测验
混附发射 (Spurious Emission) 测验
相位杂讯测验
IQ 量测作业
功率频谱密度
载波按捺 (Carrier Suppression) 测验
部分震U器漏 (LO Leakage)
PER 与 BER 测验
附近 (Adjacent)/代替 (Alternate) 通道阻绝
最大输入功率测验
定论
尽管 ZigBee 标士Ш (Mesh) 与随建即连 (Ad hoc) 网路的低功率通讯绝佳机制，却也构成多项测验难题。还好，Seasolve 公司的 WiPAN LVSA、LVSG，与 ACT 软体，进一步整合了 PXI 仪控，以处理此运用应战。只需透过适宜的软体与硬体，即可进行多项 Tx 与 Rx 量测，并让 ZigBee 设备可彻底相容於 IEEE 802.15.4 标剩且可互通其他设备。
