受全球變暖和能源價格上升的影響，市場對智能化、基于無線電控制的設備的需求快速增長，這些裝置可用于監測、控制、傳訊以及自動化能源和其他資源的輸送。不過這只是基于物理層無線電標準的IEEE 802.15.4技術的許多應用之一。

 

雖然有許多相互競爭的基于該物理層的協議，但這方面目前的全球領導者是ZigBee組織，該組織發布了涵蓋從家庭自動化和智能能源到零售和電信服務，再到遠程控制和輸入裝置等所有領域的各項標準。ZigBee協議提供了一個網狀設備網絡，支持覆蓋大面積區域和數百個甚至數千個設備的通信。如果采用一致的實現方式，那么來自不同來源的符合ZigBee標準的設備就能無縫地相互通信。

 

如你所想，圍繞通常帶有天線并得到FCC或其他地區機構批準的裸集成電路和模塊已形成了一個充滿活力的行業。嵌入式產品只能與采用IEEE 802.15.4低層協議的無線電電路一起提供，并需要獨立的微控制器或微處理器來處理ZigBee軟件及應用。市場上有些集成電路和模塊內建用于運行ZigBee或其他協議軟件的微控制器。這些集成電路和模塊中有許多都具有未確定用途的I/O引腳，所以完整產品可能需要內容更少一些的模塊和傳感器和/執行器以及一個外殼。此外，這些模塊可附帶功率放大器和接收器低噪聲放大器（LNA）。功率放大器和低噪聲放大器可顯著增加無線電射程，雖然其成本和功耗皆較高。

 

對這些選擇中任何一種選擇，都需要一個印刷電路測試板來支持集成電路或模塊。另外還需要具有足夠大的峰值功率且不受噪聲干擾的電源。如果選擇了芯片級無線電，則還需要相應的天線接口電路。

 

隨著ZigBee協議在各類嵌入式系統和應用中變得越來越常見，工程師需要能夠快速而高效地確認和驗證ZigBee模塊性能。這一系統級任務由于射頻（RF）信號的存在和需要考慮模擬、數字和射頻信號的相互作用而變得更加復雜。如后文所述，一種稱為混合域示波器（MDO，其名稱源于其包含頻譜分析電路）的新型示波器可幫助減輕ZigBee測試任務。首先，我們來看一看主要設計考慮事項及相關折衷和權衡。

 

 

由于最終應用各式各樣且有數千種產品均可適用ZigBee技術，所以在ZigBee的世界里沒有所謂的以不變應萬變之說。各廠家的ZigBee無線電選件的集成度各不相同，其中即有無線電集成電路，也有帶有微控制器、功率放大器、天線和低噪聲放大器的完整集成式模塊。由于這一多樣性的存在，所以設計人員必須了解其中涉及的折衷和權衡。應當考慮的主要方面包括：

 

成本 — 與集成電路相比，模塊在材料成本與設計和管理審批成本之間存在重大折衷。模塊成本由于其需要支持元件和裝配勞動而顯著高于無線電集成電路，即使數量龐大也不足以改變這一事實。多出成本中的一部分源自重復的印刷電路板材料，但大部分源自模塊的設計成本以及向模塊生產商退貨。但是，設計無線電模塊和獲得必需的批準的成本是很高的。對于基于集成電路的設計，ZigBee聯盟測試和批準會使成本增加。經驗表明，在集成集成電路和模塊間的成本平衡點通常為10,000 - 25,000個單元左右。

 

開發時間 — 預認證模塊在產品完成后即可銷售。對集成電路級設計的管理審批快時為一個月，但常常需要更長時間。通常，該時間被計入開發流程，因為產品需要接近最終形式，軟件也需要在批準測試開始前起作用。

 

形狀因素 — 從集成電路開始來設計定制無線電可提供無線電電路配置方面的靈活性。對于定制設計，由于產品的整體配置，無線電電路可利用模塊不能嵌入的空隙。通常，市面上的模塊的所有零件都布置在印刷電路板的同一面，所以模塊可焊接到主板上。在定制設計中，零件可布置在任何配置中或電路板的兩面。

 

協議靈活性 — 許多生產帶有嵌入式控制器的模塊和集成電路的生產商都不提供ZigBee或其他通信軟件的源碼。這極大地限制了設計者增加定制功能的能力。

 

特殊要求 — 對有些應用來說，集成了無線電和微控制器的模塊或集成電路所提供的硬件功能可能并不夠用。雖然總可以選擇添加第二個微控制器，但這樣一來總成本會超出預定水平。在其他情況下，可能需要提供市場上沒有的功能。例如，美國規定允許無線電輸出功率最高可達到1瓦，但很少有模塊能達到這個水平。

 

天線類型和布置 — 模塊的印刷電路板上可帶有天線，其形式為印刷圖案，或者為帶有外置天線的“芯片”天線。如果模塊上的天線是在屏蔽外殼的里面，或者其位置過于接近最終封裝設計中的其他元件，則其性能可能受到影響。市場上有的模塊帶有用于連接外置天線的接頭。但是，只有使用經認證可與模塊一起使用的天線才是合法的。如果需要使用不受模塊廠家支持的天線——例如因為需要更高的增益——則須經過有關機構的批準（這需要時間并會產生成本）。

 

在無線電的實現方案已定、相應的印刷電板板布局已定以及任何必需的軟件編寫完成之后，還需要進行大量測試來確保通信狀況良好。

 

對大多數應用來說，無線電系統和產品的其他零件之間存在串行通信。例如，許多集成電路和模塊使用四線串行外設接口（SPI）連接來控制無線電集成電路及相關元件，如功率放大器。為了選擇頻率信道、輸出功率等級和其他許多參數，需要通過SPI命令來設置內部寄存器。SPI用于控制用來控制功率放大器或其他器件的通用端口引腳。SPI還用于將數據包發送到集成電路或模塊，以及發送用于來傳輸數據包的命令。收到的數據也通過SPI總線來傳輸。

 

微控制器中的軟件（無論集成或獨立）需要提供最高等級的協議（ZigBee或其他）以及控制無線電的功率，并運行產品的其他方面。在許多應用中，無線電信號發射的時機非常重要，以致無線電在產品的一些其他耗電零件在運行中并使電源電壓降至可接受水平以下時不會發射信號。

 

用于驗證無線電操作的部分關鍵測試包括射頻和電源測量、數字命令、寄生信號和干擾。為舉例說明這些測試，我們把Microchip Technologies IEEE 802.15.4放大無線電模塊（MRF24J40MB）與Explorer 16演示板搭配使用。屏幕截圖來自泰克MDO4000系列混合域示波器——全球首款提供射頻、模擬和數字信號的同時時間相關視圖的示波器。設置和數據命令通過個人電腦來發送，以支持手動控制。圖1顯示了測試設置。一個對無線電設備的直接連接被用于簡化功率和其他測量。也可以使用一個經過校準的天線來進行射頻測量。

 

 

 

IEEE 802.15.4（包括ZigBee）標準的信道頻率間隔為5 Mhz。20dB信道帶寬應當顯著小于信道頻率間隔。圖2所示的2.3 MHz測得被占用帶寬完全符合該規格。輸出功率大致在20 dBm以內。屏幕顯示了輸出頻譜（屏幕下方）以及帶寬和電源的直接測量結果。在此頻率范圍內，測試電纜衰減約為2 dB，所以電源測量結果在預期范圍之內。

 

 

 

屏幕上半部底部的橙色條代表頻譜跡線的顯示時限。頻譜時間定義為窗口成形因子除以分辨率寬度的結果。在本例中，使用默認的Kaiser FFT函數（成形因子2.23）和11 kHz的分辨率帶寬，頻譜時間計算結果約為200 µs。在時域窗口上移動頻譜可取得數據包發射期間任何時刻的頻譜和測量結果。該采集僅在開啟無線電數據包發射后相關。

 

混合域示波器的射頻采集可執行射頻信號的功率和被占用帶寬測量。由于它也采集射頻采集的時間記錄，所以可用一個數字降壓轉換過程來產生I（真實）和Q（假想）數據。每個I和Q數據樣點代表射頻輸入與電流中心頻率的偏差。利用該分析可從所記錄的數據來計算射頻幅度-時間跡線。

 

圖3顯示了被添加到圖4顯示內容的附加射頻幅度-時間跡線。這證明了圖5中的電流和電壓測量事件與射頻發射的開啟相關。

 

 

 

綠色跡線（跡線4）顯示了模塊的消耗電流。在數據包傳輸期間，該消耗電流幾近200 mA（請注意 174 mA的直接測量結果），所以必須設計電源來支持該負載。黃色跡線（跡線1）顯示了該電流對電源的影響。壓降只有70 mV左右，這一水平應當是優異的（請注意72 mV的直接峰-峰測量結果）。

 

屏幕上面部分的橙色跡線（跡線A）顯示了射頻信號幅度-時間關系。輸入電流分兩步上升。在第一步中，射頻集成電路被開啟。然后有一個時延來讓頻率合成器在功率放大器開啟前穩定下來。射頻功率的上升與第二步電流上升吻合。開啟時間約為100 µs。

 

常常需要在低電池條件或電源電流限制條件期間了解無線電發射器的性能，以便了解無線電合規性能的余量。在圖6中，一個1.5Ω的電阻器被與模塊串聯起來，以模擬電量已快耗盡的電池的效應。該模塊消耗的電流只低幾個毫安，但壓降為230 mV左右。根據射頻功率測量，輸出功率減少了1 dB，且相鄰信道的噪聲有輕微增加，如頻譜顯示中所見。從振幅-時間跡線（跡線A）中也可看出這一較低的輸出功率。

 

 

 

需要設置無線電集成電路和模塊來滿足具體應用和任何針對特定協議的設置的操作要求。混合域示波器允許解碼對ZigBee模塊的SPI命令。圖5顯示了SPI命令的數字捕獲結果，時間范圍與圖2的時間范圍相同。解碼功能被啟用，但在此時間范圍內不可讀。

 

 

 

在本例中，模擬、數字和射頻采集的觸發條件為跡線4的漏極電流高于130 mA。中心左側上方顯示中的所有時域測量結果顯示了在射頻開啟時在電流超出該水平前的事件。其中包括數字解碼、模擬（電壓和電流）及射頻-時間關系。從這些信息可以看出，數字命令出現在射頻事件發生前約600 ms時。

 

紫色跡線顯示了被解碼數據在時域中的位置。可使用平移和縮放功能來讀取數字波形和被解碼的數據。可讀取或觸發SPI（MISO）上的回讀命令和數據，以確認命令正確和驗證無線電的操作。

 

混合域示波器架構簡化了SPI命令觸發和相關射頻事件間的測量。在圖6中，觸發事件現在變為SPI命令{37} ——無線電發射觸發命令。時域顯示上的標記顯示了SPI命令至電流引出（在射頻發射器開啟之初）現在為1.768 ms。

 

 

 

在前面圖5中的例子中，命令至開啟時延約為600 µs。圖6中的實際事件時間長近三倍。這證明ZigBee無線電的行為在實際上符合IEEE 802.15.4的物理層性能要求之一。ZigBee無線電使用命令和開啟事件之間的偽隨機時延來啟用無線電，以偵聽其他ZigBee無線電發射器或其他無線電干擾信道。

 

在確認無線電的操作時，確保沒有會導致干擾的寄存信號非常重要。圖7顯示在ZigBee工作頻帶中沒有顯著的寄存信號。請注意，此圖的相關模塊的發射頻率設置為2.45 GHz頻帶的中心頻率。標記功能在此被用于測量峰值信號。在分辨率帶寬現在被設為100 kHz的情況下，頻譜時間現在減小到剛剛超過20 ms。

 

 

尋找頻譜其他部分中的信號也很重要。例如，下一步可能是看被發射信號的第二諧波的頻率范圍（在其仍然與射頻傳輸開啟期間的電流消耗的觸發水平有關時）。在本例中，我們只在第二諧波中發現一個小信號，其他頻率沒有任何顯著發現。標記所在位置的第二諧波信號比基波約低35 dB，這完全在適用此類無線電發現器的RCC規則的范圍之內。

 

對于某些應用，使用天線來進行測量，以識別可能干擾所開發無線電的其他無線電來源是很有用的。在圖8中，MDO使用了一個干擾天線來尋找可能的干擾無線電來源。中心頻率為2.46 MHz的寬頻信號來自位于同一座大樓中的Wi-Fi基站。該基站覆蓋ZigBee無線電能夠使用的大量信道。在針對該無線電模塊的應用中，避免使用該頻率附近的信道是明智的，因為ZigBee無線電的射程可能受到影響，或者無線電信號被完全阻截。

 

 

 

在本例中，射頻觸發器只使用了MDO的頻譜分析儀選項來捕獲感興趣頻帶中的信號。主要參考標記顯示這是一個相當強的信號。手動標記（a）和（b）是干擾源的頻率范圍的讀數。此干擾的頻率范圍和功率會使ZigBee信道17-19不可用。當然，包括ZigBee在內的大多數協議將會掃描此類干擾并將操作移動到干凈的信道。復雜程度稍低一些的協議可能需要對操作信道進行手動調節。

 

在實現ZigBee或其他IEEE 802.15.4無線電之前有許多選擇可供考慮。最佳方案的選擇取決于許多因素，包括開發時間、單位成本-設計和批準成本，以及諸多特殊要求，如可用空間、形狀因素，另外還有針對無線電的特殊電氣要求。

 

無論選擇哪種方案，為了確保無線系統的正常工作，都要進行大量的測量。射頻測量包括檢查射頻輸出頻率、輸出振幅、被占用帶寬和寄生輸出。數據包定時、電流消耗和電源噪聲的確認也很重要。此外，確認無線電設置了正確的數字配置信息以及收到正確的數據也很重要。如本文所示，能夠關聯模擬、數字和射頻信號的混合域示波器非常適用于完成該任務，并可幫助設計人員在確認和驗證ZigBee模塊的過程中節省時間和減輕工作量。

Darren McCarthy是泰克公司的全球射頻技術營銷經理。他在過去20年里擔任過測量和測量領域的許多職務，包括研發工程師、研發項目經理、產品規劃、業務和市場開發等等。在他的職業生涯中，他有八年時間作為技術顧問和工作組成員在多個IEC技術委員會中擔任美國代表，如今則在多個工業標準工作組中和論壇上代表泰克公司。他最近發表的文章涉及從非線性器件檢測到超寬頻測量挑戰的眾多主題。他擁有西北大學（埃文斯通/伊利諾斯州）的電氣工程學士學位（BSEE）。