ZigBee 傳輸器測試的基本概念

ZigBee 為個人區域網路 (Personal area network，PAN) 的無線標準，適用於感測器監控與控制。此篇技術文件可了解 NI 聯盟夥伴 SeaSolve 公司所開發的 ZigBee 測試組合，包含 Transmit (Tx)、Receive (Rx)，與相容性測試。在此應用說明中，我們將針對各測試類型概述測試方式與技術。

ZigBee 介紹

ZigBee 就是 IEEE 802.15.4，為無線裝置之間的低功率短距通訊標準。此標準歸類為無線個人區域網路 (Wireless Personal Area Network，WiPAN)；該區域網路亦包含藍芽 (IEEE 802.15.3) 標準。

ZigBee 標準已逐漸引起商業與軍事產業的興趣，適用於如無線感測器網路、家庭自動化，與工業級控制的應用。ZigBee 標準之所以會逐漸受到重視，即因為 ZigBee 適用於可形成自組 (Self-forming) 與自療 (Self-healing) 的隨建即連 (Ad hoc) 網路或嚙合 (Mesh) 網路裝置。此方案的中央「PAN coordinator」裝置，將監控網路組態的情形。在最近幾年中，感測器網路亦成為軍事/戰場應用的研究主題。因此將 ZigBee 標準用於定義 Ad hoc 戰場智慧型方案的通訊作業，亦引起更多的注意。

ZigBee 規格之所以適用於遠端無線感測器的原因之一，即由於其低功率的 PHY 實體層 (Physical layer)。大致上來說，PHY 規格可讓 ZigBee 裝置以下列 3 種頻帶之一進行作業：868 MHz (歐洲)、915 MHz (北美)，與 2.4 GHz (世界通用)。ZigBee 收發器最常用的即為 2.4 GHz 頻帶，並使用 OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keyed) 調變串流。與類似架構相較，OQPSK 僅需較低功率亦可達到等同或較佳的傳輸率，因此成為傳統 QPSK 的衍生架構。OQPSK 使用 90 度的最大相位轉換 (Phase transition)，將符碼 (Symbol) 轉為下 1 個符碼。此特性可避免符碼過衝 (Overshoot)，且所需的傳輸功率略低於傳統 QPSK 調變架構。此設計整合 5 MHz 通道頻寬，可讓裝置以合理功率達到最高每秒 250 kb 傳輸率。

由於 ZigBee 收發器是針對低功率應用所設計，因此 PHY 實體層相對可容許較大的錯誤。事實上，該裝置可容許最高 35% 的 EVM，卻仍維持合理的位元錯誤率 (BER) 效能。因此，此系統需要透過更多測試方法，以進行設計檢驗作業。在下列章節中，我們將說明需要特定測試的理由，並提供高精確度測試的秘訣。

如先前所述，我們將分為 3 個部分進行說明。包含：

• 以向量訊號分析器 (VSG) 進行傳輸器測試 (Transmitter Testing)
• 以向量訊號產生器 (VSA) 進行接收器測試(Receiver Testing)
• 以 VSA 與 VSG 進行自動化相容性測試 (Automated Compliance Testing，ACT)

 

ZigBee 傳輸器測試

當測試 ZigBee 收發器的 Tx 訊號品質時，必須使用向量訊號分析器，以了解頻譜資訊與調變後的訊號品質。其中 1 個解決方案，即是使用 SeaSolve 公司的 WiPAN LVSA Signal Analysis 工具組，搭配 PXI-5660 向量訊號分析器。透過此軟體組合，我們即可於 IEEE 802.15.4 的相容訊號中執行頻譜與調變量測。但請謹記：此 2 種量測類型均為設計檢驗與生產測試所必要。概略來說，ZigBee 傳輸器的頻譜放射 (Spectral emission) 作業，將決定其與 ISM (工業、科學，與醫療) 頻帶裝置之間的互通性。此外，Tx 訊號的調變品質將整合天線效能，以決定該裝置可穩定作業的距離長短。常見的測試設定即為下圖所示。

 

圖 1. 傳輸器可透過直接連結或無線介面進行常見測試。

 

常見的頻譜量測包含：功率頻譜密度、佔用頻寬、高 (Upper)/低 (Lower) 頻帶功率，與頻帶總功率。此外，常見的調變分析工具包含：星座圖 (Constellation plot)、眼圖 (Eye diagram)、互補累積分佈函數 (Complementary cumulative distribution function，CCDF) 曲線，與退回的位元流 (Bitstream)。常見調變量測為：錯誤向量幅度 (Error vector magnitude，EVM)、頻率偏移，與位元錯誤率 (BER)。請注意，不同的產品開發階段，均必須進行不同的量測與分析作業。舉例來說，開發的設計檢驗階段，需要如星座圖的敏銳分析工具，以針對產品設計的多種問題進行除錯。而就生產測試來說，則需要如 EVM 與頻率偏移此類屬於定義性的量測，以比較系統效能與測試限制。

ZigBee Tx 頻譜分析

接著將說明各項基礎頻域 (Frequency domain) 量測與其重要性。並請注意，下列每項量測均可使用頻譜分析器或向量訊號分析器。由於向量訊號分析器亦可用於調變量測 (下段將接著說明)，因此一般均推薦使用之。

功率頻譜密度(Power Spectral Density，PSD)
功率頻譜密度 (PSD) 可顯示資料封包功率分散於寬廣頻率範圍中的情形。此項量測可確保傳輸器是於 IEEE 802.15.4 標準的頻譜遮罩中作業。如圖 2 所示，頻率遮罩正與輸出功率進行比較。頻率遮罩即為圖中白色線條，代表傳輸器可發射至鄰近頻帶 (Adjacent band) 的功率限制。當進行裝置的除錯作業時，若濾波器設計欠佳或放大器所壓縮的影像，均可能於鄰近頻帶中造成多餘的功率。

 

 

圖 2. 功率頻譜密度圖

 

帶中功率 (Power in Band)
帶中功率量測，將計算特定通道或頻帶中的整合功率 (dBm)。此項量測將可確保傳輸器不致超過 IEEE 802.15.2 標準的功率規格。

佔用頻寬 (Occupied bandwidth)
佔用頻寬將退回特定頻帶的頻寬，其中包含 99% 的頻展 (Span) 總功率。

鄰近通道功率(Adjacent Channel Power)
鄰近通道功率量測，將包含高 (Upper) 頻帶與低 (Lower) 頻帶中的功率。根據 IEEE 802.15.4 標準，高頻帶為朝向作業頻率右方的 5MHz；低頻帶為朝向作業頻率左方的 5MHz。

基頻 (Baseband) 量測

基頻 (Baseband) 參數量測，將確保 ZigBee 的傳輸封包可由接收器進行解碼。由於 ZigBee 收發器即設計為低功率作業，且不需要過高的資料傳輸率，因此往往犧牲調變品質以降低耗用功率。整體來說，量測品質是為了評估位元錯誤的可能性 (Likelihood)。以下圖為例，我們將 BER 做為 EVM (%) 的函式以進行評估。

 

圖 3. QPSK 調變傳輸中的 BER vs. EVM

 

如圖所示，當 QPSK 收發器的 EVM 從 15% 提升至 30% 時，BER 將大幅增加。相對來說，大多數 ZigBee 裝置在進行作業時，其 EVM 必須低於 35%。因此，量測調變的精確度更顯重要，以確保收發器能夠於該佈署環境中進行有效作業。如下所述，僅需數個插槽與量測作業，即可完成該項需求。

錯誤向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)
EVM 可協助發現多項問題與減損 (Impairment) 處，如局部震盪器 (Local Oscillator，LO) 穩定性、中頻 (IF) 濾波器、壓縮 (Compression)、符碼率 (Symbol rate)，與干擾音頻 (Interfering tone)。透過 EVM 量測，即可了解系統線性度 (Linearity) 與效率。在分析程序期間，使用者可隨時檢查 EVM 是否低於 35% 的標準特定參考值，以確保傳輸訊號的解調 (Demodulation) 作業無虞。一般來說，亦可透過各符碼基礎與 RMS EVM% 量測作業得到 EVM；而後者更可針對整組封包取得 EVM 平均值。下圖即為每符碼 EVM 量測的範例：

 

圖 4. 針對所傳輸 ZigBee 封包的各符碼 EVM。

 

星座圖(Constellation Plot)
星座圖可呈現解調過後的基頻波形。由於星座圖可找出如 IQ 增益失衡 (Gain imbalance)、DC 偏移、相位差歪曲 (Quadrature skew)，與其他減損，因此成為設計檢驗階段最重要的圖表之一。不同於僅提供簡單數值的 EVM 量測，星座圖亦可呈現錯誤來源。如下圖所示，紅色代表復原 (Recovered) 符碼，而白色代表符碼傳輸。

 

圖 5. ZigBee 傳輸訊號的星座圖。

 

在星座圖中，我們可看到依圖表參數所發生的所有傳輸作業 (以白色顯示)，且其並未穿過中央。此即為另外 1 種形式的 OQPSK 結構，且其耗用功率低於傳統的 QPSK 結構。

雖然 EVM 屬於可進行減損量化 (Quantifying) 的特殊機制，但星座圖的尺寸與外型，更可清楚指出減損類型與位置。為了說明此功能，下方星座圖即顯示了錯誤的 Tx 訊號。

圖 6. 包含減損的 ZigBee Tx 星座圖。

 

在圖 6 中，我們只要觀察星座圖的基本特性，即可了解該減損的所屬類型。首先，我們可發現該圖是以順時鐘的方式微微延展 (即 Θ 角小於 90 度)。透過此特性，即可了解該減損屬於相位差歪曲。換句話說，局部震盪器 (LO) 的同相 (In-phase) 與 4相位 (Quadrature-phase) 元件，並非精確的 90 度反相位 (Out of phase)。雖然 EVM 可透過數值得知多項減損，但星座圖卻可進一步找出錯誤來源。

眼圖 (Eye Diagram)
眼圖亦可表示 Tx 訊號的調變特性。與星座圖相反，眼圖可檢視訊號的時域 (Time domain)，並可呈現其形式或通道失真。透過此量測方式，工程師可決定最佳取樣點 (Sampling point) 並進行資料解碼。分析作業期間，使用者亦可在移除偏移 (OQPSK -> QPSK) 之後，檢查訊號中的最大開口 (Eye-opening)，以檢驗解調的屬性。

資料位元數
要量化接收器效能的常見方式之一，即是進行位元錯誤率 (BER) 的量測。由於低 EVM 極少發生錯誤，因此依調變品質的不同，BER 量測可能極為耗時。亦因如此，往往於設計檢驗過程期間，進行延伸的 BER 測試。在生產測試中，亦會進行較簡短的 BER 測試。只要回傳以 1 與 0 字串所代表的解碼原始資料，即可進行 BER 量測作業。只要將這些數值與已知的傳輸作業相比較，即可計算出 BER。

互補累積分佈函數(CCDF)
互補累積分佈函數 (Complementary Cumulative Distribution Function，CCDF) 可分析訊號的功率特性。根據先前所提，ZigBee 規格亦將定義 OQPSK 調變架構的使用方式，以將所需功率壓至最低。因此，在理想狀態下，只要 Tx 可達穩定功率，傳輸器即可達到最大功率效益。下圖即為 CCDF 曲線，可觀察功率是否發生變動。此圖即代表功率並未發生變動。

圖 7. 完美的累積分佈函數，即代表 Tx 封包的品質。

 

如圖所示，CCDF 曲線可表示高於平均功率的功率百分比。在理想條件下，CCDF 曲線的右側為完美的垂直線。在此案例中，功率放大器可維持最高的功率效益，而不會發生過溢 (Saturation)。

 

ZigBee 接收器測試

ZigBee 接收器的測試需求，往往分為 2 個部分：MAC Layer 模擬與實體層 (PHY Layer) 的減損測試。MAC Layer 模擬作業，將用以確認 ZigBee 接收器可適當回應所產生的指令。而減損測試作業，將持續降低測試激發 (Test stimulus) 的調變品質，藉以測試接收器。只要使用 SeaSolve 公司的 WiPAN LVSG 訊號產生解決方案，並搭配 PXI 向量訊號產生器，即可建置上述 2 項測試。下圖即說明相關測試作業。

 

 

圖 8. WiPAN 對應至 ZigBee 的協定堆疊

 

如上圖所示，IEEE 802.15.4 標準定義了 ZigBee 傳輸的 MAC Layer 與 PHY Layer。常見的測試程序，則是以封包產生作業進行 MAC Layer 模擬；故意造成訊號減損以測試 PHY Layer。

ZigBee 訊框類型

ZigBee 傳輸作業的媒體存取控制 (Media Access Control，MAC) 層，可定義基本的封包與訊框 (Frame) 架構。IEEE 802.15.4 規格則定義接收器測試作業的 4 種基本訊框架構。這些訊框類型包含：

• 指標訊框 (Beacon frame) 可透過協調器 (Coordinator) 傳輸指標。指標封包將啟動節點，以找出附近的其他封包。
• 資料訊框 (Data frame) 可用於所有的資料酬載 (Payload) 轉換
• 認可訊框 (Acknowledgment frame) 可確認訊框接收成功
• MAC 指令訊框 (Command frame) 可處理 MAC 同層實體 (Peer-entity) 的控制轉換

其中 MAC 指令訊框具有最高彈性。此外，接收器測試亦與特定子訊框有關，依類型列於下方：

1. Association request – 為與 PAN 協調器相關連的請求。
2. Association response – 為協調器以關聯 (Association) 狀態做出的回覆 (可能性包含：Association Successful、PAN at capacity、Access denied)
3. Disassociation notification – 是由裝置或協調器所使用，可通知其他節點非關聯性 (Disassociation)。
4. Data request – 可自協調器索取資料。
5. PAN ID conflict notification – 表示發生 PAN 識別器 (Identifier) 衝突
6. Orphan notification- 代表關聯裝置 (Associated device) 已無法與該協調器進行同步化
7. Beacon request – 用於同步化，並可傳輸超訊框 (Superframe) 資訊
8. Coordinator realignment – 可讓協調器回覆 Orphan Notification 指令。當 PAN 屬性因邏輯通道資訊而發生變化時，亦將使用此子訊框。此子訊框可傳輸至整體 PAN 或單一的獨立 (Orphan) 裝置。
9. GTS request – 由關聯裝置使用，可要求分配新的保證時槽 (Guaranteed time slot，GTS)，或要求取消 PAN 協調器的現有 GTS 分配。此子訊框亦可定義 GTS 欄位的長度、方向，與類型。

MAC 訊框欄位設定
此外亦可設定 MAC 訊框欄位。常見欄位包含：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，與 Source MAC address。

產生器減損

由於效能、功率，與成本之間常常必須有所取捨，因此 ZigBee 收發器必須以相對較低的調變品質進行作業。然而，ZigBee 收發器測試作業卻也形成另 1 道難題。當執行測試時，實驗室必須模擬嚴苛環境，以確保收發器可達到效能規格，並可相容於 IEEE 802.15.4 標準。WiPAN LVSG 軟體可套用多種減損情形，以測試設備互通性 (Interoperability)，以了解傳輸作業的缺點與實體通道的問題。並可新增特定減損，包含：無記憶非線性 (Memoryless nonlinearity)、AWGN、頻率偏移、DC 偏移、I/Q 增益失衡、相位差歪曲，與相位雜訊。

無記憶非線性 (Memoryless Nonlinearity)
如功率放大器的元件即屬於非線性，且可能於傳輸訊號中造成失真。一般來說，由於非線性將於振幅中持續產生波動，因此調變訊號特別容易受到影響。還好，ZigBee 裝置均使用 OQPSK 調變架構，產生失真的機率均低於最普遍的調變架構。然而，又由於功率需求的關係，ZigBee 收發器往往必須迎合功率放大器進行設計，而常造成過溢 (Saturation) 情形。為了說明此概念，我們於下圖中顯示功率放大器的基本模擬模型。

 

圖 9. 設計欠佳的功率放大器常發生過溢情形。

 

當功率放大器達到滿溢點時， Tx 訊號即可能發生嚴重的失真。因此，接收器檢驗作業即必須模擬此項 ZigBee 收發器特性。

加成性高斯白雜訊 (Additive White Gaussian Noise，AWGN)
加成性高斯白雜訊 (AWSN)，為最普遍的 Tx 訊號訊噪比 (SNR) 模擬方式。若能降低 SNR，則可立即影響相位與振幅的準確度。透過星座圖，即可清楚看到 AWGN 所造成的符碼擴散 (Symbol spreading)。下圖即顯示此現象。

圖 10. 包含 25 dB Eb/N0 的 ZigBee 傳輸作業。

 

由於 SNR 將與傳輸距離成反比，因此 ZigBee 若進行長距離傳輸作業，將降低接收器的 EVM。一如圖 3 中所示，較高的 EVM 將提升位元錯誤的可能性，並降低整體系統效能。

頻率偏移 (Frequency Offset)
Tx 與 Rx 局部震盪器此 2 組不同的裝置，若以些微不同的頻率進行操作，即會發生頻率偏移的情形。RF 訊號若發生頻率偏移，則將於基頻波形中造成輕微的載波偏移。一般來說，若基頻波形發生小幅的載波偏移，則可透過訊號處理運算式移除之。因此，只要將輕微的載波偏移套用至測試激源中，即可於設計檢驗階段測試此項特性。若不妥善處理頻率偏移，則將造成接收器無法以傳輸訊號進行載波鎖定 (Carrier lock)。

DC 偏移
DC 偏移為 ZigBee 傳輸器的基頻 I 與 Q 輸出常見問題。此減損現象可能造成載波洩漏，進而影響調變訊號的品質。同時導致接收器的 EVM 升高，並產生位元錯誤。為了要確定接收器可妥善處理 DC 偏移，則必須於設計檢驗階段套用此減損現象。

I/Q 增益失衡 (Gain imbalance)
I/Q 增益失衡屬於基頻減損，將影響調變訊號的品質。我們可透過星座圖觀察到增益失衡。如同下圖所示，I/Q 增益失衡即於星座圖中呈水平或垂直延伸。

 

圖 11. 此為 6 dB 週期性增益失衡的星座圖。

 

如同上圖所示，該現象屬於週期性增益失衡，即定期於星座圖的水平軸與垂直軸上延伸。在圖 11 中，該增益設定以 6 dB 的幅度定期變化。若針對 RF 建置直接升轉換作業，則增益失衡極有可能產生影響。此現象起因於基頻子系統 I 與 Q 輸出之間的振幅落差 (Amplitude disparity)，並可能由於接收器的 EVM 而提升其強度。

相位差歪曲 (Quadrature skew)
相位差歪曲是由不精確的 Quadrature-phase LO 所造成。在理想的直接降轉換系統中，同相 (In-phase) 與 4 相位 (Quadrature-phase) LO 元件，應為確實的 90 度反相位 (Out of phase)。然而，只要理想值出現些微誤差，則可能影響解調基頻波形的相位與振幅。此現象即如上方圖 6 的星座圖所示。如該圖所示，由於 EVM 升高，因此所回傳的符碼均稍稍歪曲出該理想位置。

相位雜訊 (Phase noise)
相位雜訊是因局部震盪器發生錯誤，所造成的減損現象。我們可先將相位雜訊想像為正弦曲線所發生的瞬間抖動。在頻域 (Frequency domain) 中，此抖動將造成載波的「擴散 (Spreading)」；並針對所需的中央頻率來說，其功率所產生的頻率將形成偏移。下圖即顯示此現象。

 

圖 12. 相位雜訊將跨鄰近頻率以擴散 LO 的功率。

 

如圖 12 所示，一般只要透過載波不同頻率偏移的功率強度，即可測得相位雜訊。雖然不同的頻率偏移均可指定相位雜訊，不過元件之間最普遍的公定比較作業均使用 10 KHz 偏移。

若將抖動加入至調變訊號的時域中，則相位雜訊亦將造成解調基頻波形的相位不定性 (Uncertainty)。在星座圖中，只要注意符碼的擴散情形與星座圖的參數，即可發現相位雜訊。

 

自動化 ZigBee 的相容性測試

到目前為止，我們分別討論了量測作業與減損現象，以進一步了解 ZigBee 裝置的接收/傳輸效能與特色。然而，ZigBee 裝置更可同時進行傳輸與接收 (收發器) 的功能。也因此 ZigBee 收發器的生產測試，必須同時進行此 2 項功能。Seasolve 公司的 Automated Compliance Testing 軟體，可提供 Tx 與 Rx 的測試序列，以透過 IEEE 802.15.4 標準，迅速標定 DUT 的相容性與效能。此軟體除了可執行上述的多項測試作業之外，並提供測試結果的詳細報表。

這些測試功能均最佳化其速度，以縮短測試時間；並透過多家尖端製造商的 RF 晶片，檢驗其精確度。我們無法於此逐一詳述測試作業的細節，僅於下方列出常見的測試參數：

• PLL 頻率測試
• TX 增益測試
• 混附發射 (Spurious Emission) 測試
• 相位雜訊測試
• IQ 量測作業
• 功率頻譜密度
• 載波抑制 (Carrier Suppression) 測試
• 局部震盪器洩漏 (LO Leakage)
• PER 與 BER 測試
• 鄰近 (Adjacent)/替代 (Alternate) 通道阻絕
• 最大輸入功率測試

結論

雖然 ZigBee 標準可為嚙合 (Mesh) 與隨建即連 (Ad hoc) 網路的低功率通訊絕佳機制，卻也造成多項測試難題。還好，Seasolve 公司的 WiPAN LVSA、LVSG，與 ACT 軟體，進一步整合了 PXI 儀控，以解決此應用挑戰。只要透過合適的軟體與硬體，即可進行多項 Tx 與 Rx 量測，並讓 ZigBee 裝置可完全相容於 IEEE 802.15.4 標準，且可互通其他裝置。