集成ZigBee 的射頻實現與測試

在設計嵌入式ZigBee (或其它基于IEEE 802.15.4 的協(xié)議) 射頻解決方案時，在最終產品中的集成度方面有一些折衷的考慮。挑戰(zhàn)在于如何平衡集成度和開發(fā)成本對最終應用性能的要求。由于低成本無線技術在許多電子產品應用中激增，簡化ZigBee 模塊性能的驗證和檢驗非常重要。本應用指南展示了泰克MDO4000 系列示波器在驗證和檢驗ZigBee 無線模塊集成度方面的應用及簡便性。

圖1. 泰克MDO4000 系列混合域示波器和Microchip 無線電測試電路板模塊。

嵌入式集成ZigBee 模塊

事實證明，IEEE 802.15.4物理層無線技術在各種短距離控制和數據通信應用中非常流行。ZigBee協(xié)議提供了一個由設備組成網狀網絡，因此大型區(qū)域及數百臺、甚至數千臺設備可以相互通信。至少在理論上，不同來源的 ZigBee 標準設備可以相互通信。不同的IEEE 802.15.4 協(xié)議廠商，提供了功能少、軟件簡單的方案，可以在有限的特定應用或特定功能中工作。

無線系統(tǒng)應用包括家庭和商業(yè)樓宇自動化、能源監(jiān)測和控制、安全系統(tǒng)、醫(yī)療監(jiān)測及各種商業(yè)和工業(yè)產品。圍繞著這套通信標準已經開發(fā)出了豐富的IC和模塊支持結構，這些模塊帶有天線，并經FCC 或其它地區(qū)機構認證。每個IC 和模塊還有兩個增強選項。嵌入式產品只采用IEEE802.15.4低層協(xié)議的射頻電路，因此需要單獨的微控制器或微處理器來處理ZigBee或其它高級軟件及應用。也有的IC 和模塊內置微控制器，運行ZigBee 或其它協(xié)議軟件。許多IC 和模塊帶有未定義的I/O 引腳，因此整個產品可能需要很少模塊和傳感器和/或制動器及附件。此外，許多模塊帶有功放和接收機低噪聲前置放大器(LNA)。功放和LNA 可以明顯提高射頻范圍，但成本高、能耗大。

對任何一種方案，都需要PCB支持IC或模塊。還需要有足夠峰值功率及低噪聲的電源。如果選擇芯片級方案，還需要相應的天線接口電路。

圖2. 來自不同廠商的典型ZigBee 無線電選項實例，可以有不同的集成度，從無線電集成電路到全面集成模塊及微控制器、功放和LNA。

圖2 從左到右顯示了無線IC(MicrochipTechnologies MRF24J40)、帶有100 mW 功放和LNA(Microchip MRF24J40MB)的無線模塊、射頻和微控制器集成電路 (Ember EM357)、以及帶有微控制器和外部功放和LNA (Ember EM357-MOD)的無線模塊。

ZigBee 設計考慮因素

當越來越多的產品采用ZigBee技術時，從許多類型的無線系統(tǒng)中選擇一種應用，設計人員會面臨著許多取舍，包括：

1. 成本-與IC 相比，模塊的原材料成本與工程設計和機構認證成本之間存在著明顯的矛盾。模塊成本明顯要高于射頻IC，因為需要大量的支持及組裝工人， 部分額外成本在于PCB 材料，但大多數是補償模塊設計費用及模塊制造商成本。然而，無線電路設計及機構認證也具有成本。對基于IC 的設計，如果要使用ZigBee 協(xié)議，ZigBee 聯盟測試和認證會增加成本。經驗表明，集成IC 對模塊的盈虧平衡點典型為 10，000 塊對25，000 塊。2. 開發(fā)時間- 一旦產品準備就緒，就可以推廣預認證的模塊。集成電路級設計的機構審批時間最短要一個月，但通常要遠遠長于一個月。一般來說，這一般會增加到開發(fā)過程中，因為產品必需接近最后形狀，軟件需要基本完成之后，才能開始認證測試。

3. 外觀形狀-設計一個定制的IC級無線系統(tǒng)可以靈活地配置射頻電路。在定制設計中，根據產品的整體配置，無線系統(tǒng)可以利用模塊放不進去的空間。一般來說，提供的模塊所有部件都位于PCB一側，以便模塊能夠焊接到主電路板上。在定制設計中，部件可以放到任何配置中，并放在電路板的兩側。

4. 協(xié)議靈活性-許多模塊或內置微控制器IC的制造商不提供ZigBee或其它通信軟件的源代碼。這意味著，如果希望或需要定制功能，那么在廠商沒有提供這種功能時，幾乎沒有可用的資源。

5. 特殊要求-對有些應用，需要硬件模塊或IC集成了射頻和微處理器的功能，雖然可以選擇增加第二個微控制器，但總成本會提高到超出所需水平。在其它情況下，可能希望提供市場上沒有的功能。例如，美國規(guī)范允許1 W 的無線輸出功率，但有這種功能的模塊很少。

6. 天線類型和位置-模塊在PCB上提供了天線，其方式為印刷模式，如Microchip 模塊，或者為“芯片”天線，如Ember 模塊，并帶有外部天線。如果天線位于屏蔽外殼內部，或離最終封裝設計中的其它組件太近，模塊上的天線可能會影響性能。有的模塊帶有外部天線使用的連接器。但是，唯一合法的天線是使用與模塊一起經過認證的天線。如果有理由(如需要更高的增益)使用模塊廠商不支持的天線，那么要求機構認證，這會導致相應的成本和時間。

集成的射頻測試驗證

一旦選擇了無線實現方式，進行了相應的PCB 布線，編寫了必要的軟件，那么需要進行大量的測試，以保證良好的通信：對許多應用來說，無線系統(tǒng)與產品其它部分之間要進行串行通信。例如，Microchip IC 和模塊采用4 線SPI 連接，控制射頻IC 和相關組件，如功放。需要使用SPI 命令，設置內部寄存器，選擇頻率信道、輸出功率電平及許多其它工作參數。SPI 還用來控制通用端口引腳，這些引腳控制著功放器或其它器件。SPI 還用來把數據包發(fā)送到IC 或模塊，發(fā)送命令傳送數據包。接收機數據也通過SPI 總線返回。微控制器中的軟件(不管是集成還是分開)需要提供更高級的協(xié)議(ZigBee或其它協(xié)議)，及控制無線系統(tǒng)的供電，運行產品的其它方面。在許多應用中，無線傳輸的定時至關重要，以便產品的某個其它部分正在工作，消耗電源電壓時，射頻電路不會發(fā)射信號。

為了說明驗證射頻工作所要完成的一些測試，我們使用帶有Explorere 16 演示電路板的Microchip Technologies IEEE 802.15.4放大無線模塊(MRF24J40MB)。這些屏幕顯示是使用泰克MDO4000系列多域示波器獲得的，可以以時間相關的方式同時查看RF信號、模擬信號和數字信號。設置和數據命令從PC 發(fā)送，允許手動控制。圖 3顯示了測試設置。注意我們直接連接到射頻部分，方便電源測量和其它測量。同樣，可以使用校準后的天線，進行RF 測量

驗證射頻工作的一些關鍵測試有：

RF測量和電源測量-泰克MDO4000系列混合域示波器的獨特之處在于，它允許同時查看射頻頻譜和電源，如圖4 所示。

IEEE 802.15.4 (包括ZigBee)的信道間隔為5 MHz。20 dB 信道帶寬應明顯低于信道間隔。如圖所示，測得的占用帶寬是2.3 MHz。輸出功率約為預計的20 dBm。屏幕下半部分顯示了輸出頻譜，屏幕上顯示了帶寬和功率的直接測量結果。測試電纜在這個頻率范圍內損耗約2 dB，因此功率測量位于預計范圍內。

屏幕上半部分底部的橙色條表明了顯示頻譜曲線的時間周期。頻譜時間是窗函數因數除以分辨率帶寬。在本例中，我們使用默認的Kaiser FFT 函數(因數為2.23)，RBW 為11 kHz，則頻譜時間約為200 us。在時域窗口中移動頻譜條，可以在數據包傳輸期間觀察和測量數據。只有在啟動無線數據包發(fā)射之后，這一采集才是相關的。

泰克MDO4000 系列示波器RF 采集可以測量RF 信號的功率和占用帶寬。由于它還捕獲了RF 采集的時間記錄，因此可以使用數字下變頻生成I (實數)和Q (虛數)數據。每個I 和Q 數據樣點表示當前中心頻率RF 輸入的瞬時偏差。通過這一分析，可以從記錄的數據中計算出RF 幅度隨時間的變化。