无线通信在嵌入式系统中的应用讲座(28) ZigBee测试与协议分析

1.1 前言

ZigBee协议栈包括物理层协议[IEEE802.15.4]和上层软件协议[ZigBee 2007（以及其他的ZigBee网络协议）]，本文将从这两方面来了解这些协议，通过介绍如何捕获，如何理解关键参数，使得我们得以深层次剖析ZigBee技术，有了这些本质性的认识，对于分析解决无线产品应用问题，会有很大的帮助。

1.2 物理层分析

ZigBee的物理层为IEEE802.15.4标准所规定，定义了ZigBee底层的调制编码方式，这些规约大多是芯片设计者需要关心的，对于应用开发来说，我们更关心的是衡量一个芯片一个射频系统好坏的一个参数，在过去的文章中，我们了解过了输出功率，接收灵敏度和链路预算等参数，这一次我们更深入的去了解一个调制质量的参数：EVM。

EVM指的是误差向量（包括幅度和相位的失量），表征在一个给定时刻理想无误差基准信号与实际发射信号的向量差，如图1所示，从EVM参数中，我们可以了解到一个输出信号的：

⏹幅度误差；

⏹相位误差。

标准信号

矢量误差EVM

标准信号

图 1 矢量误差EVM示意图

EVM是衡量一个RF系统总体调制质量指标，定义为信号星座图上测量信号与理想信号之间的误差，它用来表示发射器的调制精度，调制解调器、PA、混频器、收发器等对它都会有影响。

图 2 EVM数据和眼图

了解完这个参数之后，我们看看实际测试中，是如何获取EVM参数的。

ZigBee物理层的测试，在产品研发、生产和维护阶段，分别使用以下三种仪器测试：1.产品研发阶段

要测量EVM参数，需要使用带协议解析的频谱仪，最好是自带相应协议插件的仪器i，可以使用安捷伦PXA N9030A频谱分析仪+8960B插件[选配了ZigBee分析插件]。这些仪器可以测试出ZigBee调制信号的星座图，实时数据和眼图等信息，在芯片级开发过程中，需要考量高频电容电感以及滤波器等的单个及组合性能，特别需要注意的是ZigBee信号的临道抑制参数，利用PXA N9030A的高分辨率，可以查看点频的带外信号，这些细节在更换射频器件供应商时，需要仔细测量，一般数字电路抄板比较容易，因为器件性能的影响不是很大，只要值和封装对了就可以，但是射频前端的设计上，即使原样的封装、容值和感值，供应商不一样，射频参数也是不一样的，板材的选用也极大的影响着阻抗匹配，因此复制和再开发都有较大难度。合格的测试工具，加上有质量保证的射频器件供应商资源，方能真正具备RF设计能力。

图 3 安捷伦PXA N9030A

2.批量生产阶段

在批量生产中，不可能将实验室的研发测试仪器搬到工厂，因此，需要便携小巧的测试设备，这时可用罗德与斯瓦茨公司的热功率探头，如NRP-Z22，做一个2.4Ghz的输出功率测试，保证能够输出公差允许的功率信号即可，因为在生产中，射频器件的焊接不良、馈线连接头的接触不良，都会造成输出功率的下降甚至消失。需要注意的是，探头非常容易被静电损坏，必须要带上防静电手套进行操作，返修过程如需要经过德国，则时间长，经费也不便宜，不是很严重的损坏倒是可以在深圳维修中心处理。

图 4 罗德斯与瓦茨公司NRP-Z22

3.应用中

在现场出现问题时，ZigBee节点已经安装到现场，不能挨个拆下来测试，并且周围的电磁环境也是没办法在单个节点上检测到，这时就需要手持式的频谱仪进行现场勘查了，例如安捷伦公司的N9912A手持式频谱仪。

使用该频谱仪，可以完成无线系统设计初期的现场勘查工作，检测现场各个地点是否有异常电磁干扰，对于ZigBee来说，当然是检测是否有持续的WIFI信号干扰了。同时，更为详细的现场勘查，还包括在定点进行数据发送，预期覆盖点进行信号强度分析，以实地评估墙体等障碍物的信号衰减，在已经架设好的ZigBee网络中，也可以检测信号覆盖，数据通讯是否正常等。

图 5 安捷伦公司的N9912A

除了以上三种场合的测试外，在调试时要用到的还包括具备信号录制功能的信号源，将接收到的ZigBee信号录制下来，以不同的输出功率进行“播放”，以测试模块的接收灵敏度，在必要的情况下，还需要专业的误码率测试仪，进行误码率测试。

1.3 应用层分析

在具备合格的硬件基础上，应用工程师往往更关心的是，我这些数据发出来了没有？信号强度是多少？仅仅检测到有数据发送，但是不知道是谁发给谁的，也不行，因此，在应用层的分析上，需要专门的ZigBee数据分析仪，通过捕获数据帧，我们可以看到数据帧中的每一个域的值，当然前提是数据没有采用AES128加密方式加密。

ZigBee分析软件拆分出数据包，分析软件会将数据包内容完整的呈现于Frame结构中，会在MAC PACKET结构中显示帧类型、源地址、目的地址、序列号和数据帧内容等，这个功能在调试ZigBee路由协议栈的时，或者在检测路由信息时，是非常必要的。

ZigBee Analyser是针对无线ZigBee模块开发的数据包分析仪设备，主要用于帮助用户捕获ZigBee通讯的数据包，用于数据分析，快速寻找ZigBee组网时出现的问题所在。

图 6 周立功公司ZigBee分析仪

Packet Analyzer软件

Packet Analyzer是运行在PC端，配合ZigBee Analyser分析仪的软件，由美国CEL 公司开发，对分析仪提供的数据进行解析，图形化显示，并能进行简单的信道能量扫描功能，如图7所示，分别是Packet Analyzer的帧列表界面、树形帧结构界面，信道能量检测界面和网络地图界面。

图7 Packet Analyzer功能界面

对于客户应用来说，只需要配备一台ZigBee分析仪就可以满足实际需求了，信号强度的检测可以通过发送模块通过射频电缆直接输出到分析仪的天线输入，可获得精度为1dbm 的信号强度指示。

1.4 结语

本文粗略的介绍了ZigBee无线产品在原理、设计、生产和现场调试当中应用到的检测技术，也从另外一个剖面去了解了ZigBee技术，俗话说，工欲善其事，必先利其器，我们看到，只要掌握了合适的测试设备和方法，应用ZigBee技术并不是非常困难的事情。

周立功公司应用文中提到的设备和产品，进行产品设计生产，将尽心竭力为客户提供极具竞争力的精品产品，同时也致力于ZigBee技术在国内的发展，为推动短距离无线通讯技术在市场中的应用做出自己微薄的贡献。