ZigBee測試與協議分析

1 前言

ZigBee協議棧包括物理層協議(IEEE802.15.4)和上層軟件協議(ZigBee 2007以及其他的ZigBee網絡協議）。本文將從這兩方面來了解這些協議，通過介紹如何捕獲及如何理解關鍵參數，深層次剖析ZigBee技術。有了這些本質性的認識，對于分析解決無線產品應用問題，會有很大的幫助。

2 物理層分析

ZigBee的物理層為IEEE802.15.4標準所規定，定義了ZigBee底層的調制編碼方式。這些規約大多是芯片設計者需要關心的，對于應用開發來說，更關心的是衡量一個芯片、一個射頻系統性能的參數。在過去的文章中，已介紹了輸出功率、接收靈敏度和鏈路預算等參數，這一講將更深入地介紹一個調制質量的參數：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信號與實際發射信號的向量差，如圖1所示。從EVM參數中，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系統總體調制質量的指標，定義為信號星座圖上測量信號與理想信號之間的誤差，它用來表示發射器的調制精度，調制解調器、PA、混頻器、收發器等對它都會有影響。EVM數據和眼圖如圖2所示。

圖2 EVM數據和眼圖

了解完這個參數之后，再看看實際測試中是如何獲取EVM參數的。

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

(1)產品研發階段

要測量EVM參數，需要使用帶協議解析的頻譜儀，最好是自帶相應協議插件的儀器，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調制信號的星座圖、實時數據和眼圖等信息，在芯片級開發過程中，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，利用PXA N9030A的高分辨率，可以查看點頻的帶外信號，這些細節在更換射頻器件供應商時，需要仔細測量，一般數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，但是射頻前端的設計上，即使原樣的封裝、容值和感值，供應商不一樣，射頻參數也是不一樣的，板材的選用也極大地影響著阻抗匹配，因此復制和再開發都有較大難度。合格的測試工具，加上有質量保證的射頻器件供應商資源，方能真正具備RF設計能力。安捷倫PXA N9030A頻譜分析儀如圖3所示。

圖3 安捷倫PXA N9030A

(2)批量生產階段

在批量生產中，不可能將實驗室的研發測試儀器搬到工廠，因此，需要便攜小巧的測試設備，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，返修過程如需要經過德國，則時間長，經費也不便宜，不是很嚴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)應用階段

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

使用該頻譜儀，可以完成無線系統設計初期的現場勘查工作，檢測現場各個地點是否有異常電磁干擾，對于ZigBee來說，當然是檢測是否有持續的WIFI信號干擾了。同時，更為詳細的現場勘查，還包括在定點進行數據發送，預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，在已經架設好的ZigBee網絡中，也可以檢測信號覆蓋，數據通信是否正常等。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，還需要專業的誤碼率測試儀，進行誤碼率測試。

3 應用層分析

在具備合格的硬件基礎上，應用工程師往往更關心的是，我這些數據發出來了沒有？信號強度是多少？僅僅檢測到有數據發送，但是不知道是誰發給誰的也不行，因此，在應用層的分析上，需要專門的ZigBee數據分析儀，通過捕獲數據幀，我們可以看到數據幀中的每一個域的值，當然前提是數據沒有采用AES128加密方式加密。周立功公司的ZigBee分析儀如圖6所示。

ZigBee分析軟件拆分出數據包，分析軟件會將數據包內容完整地呈現于Frame結構中，會在MAC PACKET結構中顯示幀類型、源地址、目的地址、序列號和數據幀內容等，這個功能在調試ZigBee路由協議棧或者在檢測路由信息時，是非常必要的。

ZigBee Analyser是針對無線ZigBee模塊開發的數據包分析儀設備，主要用于幫助用戶捕獲ZigBee通信的數據包，用于數據分析，快速尋找ZigBee組網時出現的問題所在。

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，對分析儀提供的數據進行解析，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、樹形幀結構界面，信道能量檢測界面和網絡地圖界面。

圖7 Packet Analyzer功能界面

對于客戶應用來說，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 結語

本文介紹了ZigBee無線產品在原理、設計、生產和現場調試當中應用到的檢測技術，也從另外一個角度去了解了ZigBee技術。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備和方法，應用ZigBee技術并不是非常困難的事情。

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