ZigBee 传输器测试的基本概念

概观

ZigBee 為个人区域网路 (Personal area network，PAN) 的无线标準，适用於感测器监控与控制。此篇技术文件可了解 NI 联盟伙伴 SeaSolve 公司所开发的 ZigBee 测试组合，包含 Transmit (Tx)、Receive (Rx)，与相容性测试。在此应用说明中，我们将针对各测试类型概述测试方式与技术。

ZigBee 就是 IEEE 802.15.4，為无线装置之间的低功率短距通讯标準。此标準归类為无线个人区域网路 (Wireless Personal Area Network，WiPAN);该区域网路亦包含蓝芽 (IEEE 802.15.3) 标準。

ZigBee 标準已逐渐引起商业与军事產业的兴趣，适用於如无线感测器网路、家庭自动化，与工业级控制的应用。ZigBee 标準之所以会逐渐受到重视，即因為 ZigBee 适用於可形成自组 (Self-forming) 与自疗 (Self-healing) 的随建即连 (Ad hoc) 网路或嚙合 (Mesh) 网路装置。此方案的中央「PAN coordinator」装置，将监控网路组态的情形。在最近几年中，感测器网路亦成為军事/战场应用的研究主题。因此将 ZigBee 标準用於定义 Ad hoc 战场智慧型方案的通讯作业，亦引起更多的注意。

ZigBee 规格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 规格可让 ZigBee 装置以下列 3 种频带之一进行作业：868 MHz (欧洲)、915 MHz (北美)，与 2.4 GHz (世界通用)。ZigBee 收发器最常用的即為 2.4 GHz 频带，并使用 OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keyed) 调变串流。与类似架构相较，OQPSK 仅需较低功率亦可达到等同或较佳的传输率，因此成為传统 QPSK 的衍生架构。OQPSK 使用 90 度的最大相位转换 (Phase transition)，将符码 (Symbol) 转為下 1 个符码。此特性可避免符码过冲 (Overshoot)，且所需的传输功率略低於传统 QPSK 调变架构。此设计整合 5 MHz 通道频宽，可让装置以合理功率达到最高每秒 250 kb 传输率。

由於 ZigBee 收发器是针对低功率应用所设计，因此 PHY 实体层相对可容许较大的错误。事实上，该装置可容许最高 35% 的 EVM，却仍维持合理的位元错误率 (BER) 效能。因此，此系统需要透过更多测试方法，以进行设计检验作业。在下列章节中，我们将说明需要特定测试的理由，并提供高精确度测试的秘诀。

如先前所述，我们将分為 3 个部分进行说明。包含：

以向量讯号分析器 (VSG) 进行传输器测试 (Transmitter Testing)

以向量讯号產生器 (VSA) 进行接收器测试(Receiver Testing)

以 VSA 与 VSG 进行自动化相容性测试 (Automated Compliance Testing，ACT)

ZigBee 传输器测试

当测试 ZigBee 收发器的 Tx 讯号品质时，必须使用向量讯号分析器，以了解频谱资讯与调变后的讯号品质。其中 1 个解决方案，即是使用 SeaSolve 公司的 WiPAN LVSA Signal Analysis 工具组，搭配 PXI-5660 向量讯号分析器。透过此软体组合，我们即可於 IEEE 802.15.4 的相容讯号中执行频谱与调变量测。但请谨记：此 2 种量测类型均為设计检验与生產测试所必要。概略来说，ZigBee 传输器的频谱放射 (Spectral emission) 作业，将决定其与 ISM (工业、科学，与医疗) 频带装置之间的互通性。此外，Tx 讯号的调变品质将整合天线效能，以决定该装置可稳定作业的距离长短。常见的测试设定即為下图所示。

图 1. 传输器可透过直接连结或无线介面进行常见测试。

常见的频谱量测包含：功率频谱密度、佔用频宽、高 (Upper)/低 (Lower) 频带功率，与频带总功率。此外，常见的调变分析工具包含：星座图 (Constellation plot)、眼图 (Eye diagram)、互补累积分佈函数 (Complementary cumulative distribution function，CCDF) 曲线，与退回的位元流 (Bitstream)。常见调变量测為：错误向量幅度 (Error vector magnitude，EVM)、频率偏移，与位元错误率 (BER)。请注意，不同的產品开发阶段，均必须进行不同的量测与分析作业。举例来说，开发的设计检验阶段，需要如星座图的敏锐分析工具，以针对產品设计的多种问题进行除错。而就生產测试来说，则需要如 EVM 与频率偏移此类属於定义性的量测，以比较系统效能与测试限制。

ZigBee Tx 频谱分析

接著将说明各项基础频域 (Frequency domain) 量测与其重要性。并请注意，下列每项量测均可使用频谱分析器或向量讯号分析器。由於向量讯号分析器亦可用於调变量测 (下段将接著说明)，因此一般均推荐使用之。

功率频谱密度(Power Spectral Density，PSD)

功率频谱密度 (PSD) 可显示资料封包功率分散於宽广频率范围中的情形。此项量测可确保传输器是於 IEEE 802.15.4 标準的频谱遮罩中作业。如图 2 所示，频率遮罩正与输出功率进行比较。频率遮罩即為图中白色线条，代表传输器可发射至邻近频带 (Adjacent band) 的功率限制。当进行装置的除错作业时，若滤波器设计欠佳或放大器所压缩的影像，均可能於邻近频带中造成多餘的功率。

图 2. 功率频谱密度图

带中功率 (Power in Band)

带中功率量测，将计算特定通道或频带中的整合功率 (dBm)。此项量测将可确保传输器不致超过 IEEE 802.15.2 标準的功率规格。

佔用频宽 (Occupied bandwidth)

佔用频宽将退回特定频带的频宽，其中包含 99% 的频展 (Span) 总功率。

邻近通道功率(Adjacent Channel Power)

邻近通道功率量测，将包含高 (Upper) 频带与低 (Lower) 频带中的功率。根据 IEEE 802.15.4 标準，高频带為朝向作业频率右方的 5MHz;低频带為朝向作业频率左方的 5MHz。

基频 (Baseband) 量测

基频 (Baseband) 参数量测，将确保 ZigBee 的传输封包可由接收器进行解码。由於 ZigBee 收发器即设计為低功率作业，且不需要过高的资料传输率，因此往往牺牲调变品质以降低耗用功率。整体来说，量测品质是為了评估位元错误的可能性 (Likelihood)。以下图為例，我们将 BER 做為 EVM (%) 的函式以进行评估。

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% 提升至 30% 时，BER 将大幅增加。相对来说，大多数 ZigBee 装置在进行作业时，其 EVM 必须低於 35%。因此，量测调变的精确度更显重要，以确保收发器能够於该佈署环境中进行有效作业。如下所述，仅需数个插槽与量测作业，即可完成该项需求。

错误向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)

EVM 可协助发现多项问题与减损 (Impairment) 处，如局部震盪器 (Local Oscillator，LO) 稳定性、中频 (IF) 滤波器、压缩 (Compression)、符码率 (Symbol rate)，与干扰音频 (Interfering tone)。透过 EVM 量测，即可了解系统线性度 (Linearity) 与效率。在分析程序期间，使用者可随时检查 EVM 是否低於 35% 的标準特定参考值，以确保传输讯号的解调 (Demodulation) 作业无虞。一般来说，亦可透过各符码基础与 RMS EVM% 量测作业得到 EVM;而后者更可针对整组封包取得 EVM 平均值。下图即為每符码 EVM 量测的范例：

图 4. 针对所传输 ZigBee 封包的各符码 EVM。

星座图(Constellation Plot)

星座图可呈现解调过后的基频波形。由於星座图可找出如 IQ 增益失衡 (Gain imbalance)、DC 偏移、相位差歪曲 (Quadrature skew)，与其他减损，因此成為设计检验阶段最重要的图表之一。不同於仅提供简单数值的 EVM 量测，星座图亦可呈现错误来源。如下图所示，红色代表復原 (Recovered) 符码，而白色代表符码传输。

图 5. ZigBee 传输讯号的星座图。

在星座图中，我们可看到依图表参数所发生的所有传输作业 (以白色显示)，且其并未穿过中央。此即為另外 1 种形式的 OQPSK 结构，且其耗用功率低於传统的 QPSK 结构。

虽然 EVM 属於可进行减损量化 (Quantifying) 的特殊机制，但星座图的尺寸与外型，更可清楚指出减损类型与位置。為了说明此功能，下方星座图即显示了错误的 Tx 讯号。

图 6. 包含减损的 ZigBee Tx 星座图。

在图 6 中，我们只要观察星座图的基本特性，即可了解该减损的所属类型。首先，我们可发现该图是以顺时鐘的方式微微延展 (即 Θ 角小於 90 度)。透过此特性，即可了解该减损属於相位差歪曲。换句话说，局部震盪器 (LO) 的同相 (In-phase) 与 4相位 (Quadrature-phase) 元件，并非精确的 90 度反相位 (Out of phase)。虽然 EVM 可透过数值得知多项减损，但星座图却可进一步找出错误来源。

眼图 (Eye Diagram)

眼图亦可表示 Tx 讯号的调变特性。与星座图相反，眼图可检视讯号的时域 (Time domain)，并可呈现其形式或通道失真。透过此量测方式，工程师可决定最佳取样点 (Sampling point) 并进行资料解码。分析作业期间，使用者亦可在移除偏移 (OQPSK -> QPSK) 之后，检查讯号中的最大开口 (Eye-opening)，以检验解调的属性。

资料位元数

要量化接收器效能的常见方式之一，即是进行位元错误率 (BER) 的量测。由於低 EVM 极少发生错误，因此依调变品质的不同，BER 量测可能极為耗时。亦因如此，往往於设计检验过程期间，进行延伸的 BER 测试。在生產测试中，亦会进行较简短的 BER 测试。只要回传以 1 与 0 字串所代表的解码原始资料，即可进行 BER 量测作业。只要将这些数值与已知的传输作业相比较，即可计算出 BER。

互补累积分佈函数(CCDF)

互补累积分佈函数 (Complementary Cumulative Distribution Function，CCDF) 可分析讯号的功率特性。根据先前所提，ZigBee 规格亦将定义 OQPSK 调变架构的使用方式，以将所需功率压至最低。因此，在理想状态下，只要 Tx 可达稳定功率，传输器即可达到最大功率效益。下图即為 CCDF 曲线，可观察功率是否发生变动。此图即代表功率并未发生变动。

图 7. 完美的累积分佈函数，即代表 Tx 封包的品质。

如图所示，CCDF 曲线可表示高於平均功率的功率百分比。在理想条件下，CCDF 曲线的右侧為完美的垂直线。在此案例中，功率放大器可维持最高的功率效益，而不会发生过溢 (Saturation)。

ZigBee 接收器测试

ZigBee 接收器的测试需求，往往分為 2 个部分：MAC Layer 模拟与实体层 (PHY Layer) 的减损测试。MAC Layer 模拟作业，将用以确认 ZigBee 接收器可适当回应所產生的指令。而减损测试作业，将持续降低测试激发 (Test stimulus) 的调变品质，藉以测试接收器。只要使用 SeaSolve 公司的 WiPAN LVSG 讯号產生解决方案，并搭配 PXI 向量讯号產生器，即可建置上述 2 项测试。下图即说明相关测试作业。

图 8. WiPAN 对应至 ZigBee 的协定堆迭

如上图所示，IEEE 802.15.4 标準定义了 ZigBee 传输的 MAC Layer 与 PHY Layer。常见的测试程序，则是以封包產生作业进行 MAC Layer 模拟;故意造成讯号减损以测试 PHY Layer。

ZigBee 讯框类型

ZigBee 传输作业的媒体存取控制 (Media Access Control，MAC) 层，可定义基本的封包与讯框 (Frame) 架构。IEEE 802.15.4 规格则定义接收器测试作业的 4 种基本讯框架构。这些讯框类型包含：

指标讯框 (Beacon frame) 可透过协调器 (Coordinator) 传输指标。指标封包将啟动节点，以找出附近的其他封包。

资料讯框 (Data frame) 可用於所有的资料酬载 (Payload) 转换

认可讯框 (Acknowledgment frame) 可确认讯框接收成功

MAC 指令讯框 (Command frame) 可处理 MAC 同层实体 (Peer-entity) 的控制转换

其中 MAC 指令讯框具有最高弹性。此外，接收器测试亦与特定子讯框有关，依类型列於下方：

Association request – 為与 PAN 协调器相关连的请求。

Association response – 為协调器以关联 (Association) 状态做出的回覆 (可能性包含：Association Successful、PAN at capacity、Access denied)

Disassociation notification – 是由装置或协调器所使用，可通知其他节点非关联性 (Disassociation)。

Data request – 可自协调器索取资料。

PAN ID conflict notification – 表示发生 PAN 识别器 (Identifier) 冲突

Orphan notification- 代表关联装置 (Associated device) 已无法与该协调器进行同步化

Beacon request – 用於同步化，并可传输超讯框 (Superframe) 资讯

Coordinator realignment – 可让协调器回覆 Orphan Notification 指令。当 PAN 属性因逻辑通道资讯而发生变化时，亦将使用此子讯框。此子讯框可传输至整体 PAN 或单一的独立 (Orphan) 装置。

GTS request – 由关联装置使用，可要求分配新的保证时槽 (Guaranteed time slot，GTS)，或要求取消 PAN 协调器的现有 GTS 分配。此子讯框亦可定义 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。常见栏位包含：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。

產生器减损

由於效能、功率，与成本之间常常必须有所取捨，因此 ZigBee 收发器必须以相对较低的调变品质进行作业。然而，ZigBee 收发器测试作业却也形成另 1 道难题。当执行测试时，实验室必须模拟严苛环境，以确保收发器可达到效能规格，并可相容於 IEEE 802.15.4 标準。WiPAN LVSG 软体可套用多种减损情形，以测试设备互通性 (Interoperability)，以了解传输作业的缺点与实体通道的问题。并可新增特定减损，包含：无记忆非线性 (Memoryless nonlinearity)、AWGN、频率偏移、DC 偏移、I/Q 增益失衡、相位差歪曲，与相位杂讯。

无记忆非线性 (Memoryless Nonlinearity)

如功率放大器的元件即属於非线性，且可能於传输讯号中造成失真。一般来说，由於非线性将於振幅中持续產生波动，因此调变讯号特别容易受到影响。还好，ZigBee 装置均使用 OQPSK 调变架构，產生失真的机率均低於最普遍的调变架构。然而，又由於功率需求的关係，ZigBee 收发器往往必须迎合功率放大器进行设计，而常造成过溢 (Saturation) 情形。為了说明此概念，我们於下图中显示功率放大器的基本模拟模型。

图 9. 设计欠佳的功率放大器常发生过溢情形。

当功率放大器达到满溢点时， Tx 讯号即可能发生严重的失真。因此，接收器检验作业即必须模拟此项 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)，為最普遍的 Tx 讯号讯噪比 (SNR) 模拟方式。若能降低 SNR，则可立即影响相位与振幅的準确度。透过星座图，即可清楚看到 AWGN 所造成的符码扩散 (Symbol spreading)。下图即显示此现象。

图 10. 包含 25 dB Eb/N0 的 ZigBee 传输作业。

由於 SNR 将与传输距离成反比，因此 ZigBee 若进行长距离传输作业，将降低接收器的 EVM。一如图 3 中所示，较高的 EVM 将提升位元错误的可能性，并降低整体系统效能。

频率偏移 (Frequency Offset)

Tx 与 Rx 局部震盪器此 2 组不同的装置，若以些微不同的频率进行操作，即会发生频率偏移的情形。RF 讯号若发生频率偏移，则将於基频波形中造成轻微的载波偏移。一般来说，若基频波形发生小幅的载波偏移，则可透过讯号处理运算式移除之。因此，只要将轻微的载波偏移套用至测试激源中，即可於设计检验阶段测试此项特性。若不妥善处理频率偏移，则将造成接收器无法以传输讯号进行载波锁定 (Carrier lock)。

DC 偏移

DC 偏移為 ZigBee 传输器的基频 I 与 Q 输出常见问题。此减损现象可能造成载波洩漏，进而影响调变讯号的品质。同时导致接收器的 EVM 升高，并產生位元错误。為了要确定接收器可妥善处理 DC 偏移，则必须於设计检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，将影响调变讯号的品质。我们可透过星座图观察到增益失衡。如同下图所示，I/Q 增益失衡即於星座图中呈水平或垂直延伸。

图 11. 此為 6 dB 週期性增益失衡的星座图。

如同上图所示，该现象属於週期性增益失衡，即定期於星座图的水平轴与垂直轴上延伸。在图 11 中，该增益设定以 6 dB 的幅度定期变化。若针对 RF 建置直接升转换作业，则增益失衡极有可能產生影响。此现象起因於基频子系统 I 与 Q 输出之间的振幅落差 (Amplitude disparity)，并可能由於接收器的 EVM 而提升其强度。

相位差歪曲 (Quadrature skew)

相位差歪曲是由不精确的 Quadrature-phase LO 所造成。在理想的直接降转换系统中，同相 (In-phase) 与 4 相位 (Quadrature-phase) LO 元件，应為确实的 90 度反相位 (Out of phase)。然而，只要理想值出现些微误差，则可能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，因此所回传的符码均稍稍歪曲出该理想位置。

相位杂讯 (Phase noise)

相位杂讯是因局部震盪器发生错误，所造成的减损现象。我们可先将相位杂讯想像為正弦曲线所发生的瞬间抖动。在频域 (Frequency domain) 中，此抖动将造成载波的「扩散 (Spreading)」;并针对所需的中央频率来说，其功率所產生的频率将形成偏移。下图即显示此现象。

图 12. 相位杂讯将跨邻近频率以扩散 LO 的功率。

如图 12 所示，一般只要透过载波不同频率偏移的功率强度，即可测得相位杂讯。虽然不同的频率偏移均可指定相位杂讯，不过元件之间最普遍的公定比较作业均使用 10 KHz 偏移。

若将抖动加入至调变讯号的时域中，则相位杂讯亦将造成解调基频波形的相位不定性 (Uncertainty)。在星座图中，只要注意符码的扩散情形与星座图的参数，即可发现相位杂讯。

自动化 ZigBee 的相容性测试

到目前為止，我们分别讨论了量测作业与减损现象，以进一步了解 ZigBee 装置的接收/传输效能与特色。然而，ZigBee 装置更可同时进行传输与接收 (收发器) 的功能。也因此 ZigBee 收发器的生產测试，必须同时进行此 2 项功能。Seasolve 公司的 Automated Compliance Testing 软体，可提供 Tx 与 Rx 的测试序列，以透过 IEEE 802.15.4 标準，迅速标定 DUT 的相容性与效能。此软体除了可执行上述的多项测试作业之外，并提供测试结果的详细报表。

这些测试功能均最佳化其速度，以缩短测试时间;并透过多家尖端製造商的 RF 晶片，检验其精确度。我们无法於此逐一详述测试作业的细节，仅於下方列出常见的测试参数：

PLL 频率测试

TX 增益测试

混附发射 (Spurious Emission) 测试

相位杂讯测试

IQ 量测作业

功率频谱密度

载波抑制 (Carrier Suppression) 测试

局部震盪器洩漏 (LO Leakage)

PER 与 BER 测试

邻近 (Adjacent)/替代 (Alternate) 通道阻绝

最大输入功率测试

结论

虽然 ZigBee 标準可為嚙合 (Mesh) 与随建即连 (Ad hoc) 网路的低功率通讯绝佳机制，却也造成多项测试难题。还好，Seasolve 公司的 WiPAN LVSA、LVSG，与 ACT 软体，进一步整合了 PXI 仪控，以解决此应用挑战。只要透过合适的软体与硬体，即可进行多项 Tx 与 Rx 量测，并让 ZigBee 装置可完全相容於 IEEE 802.15.4 标準，且可互通其他装置。