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(WSN)、家庭自動化(Home Automation)與工業級控制的應用。
ZigBee標準之所以會逐漸受到重視，是因為ZigBee適用於可形成自組(Self-forming)與自療(Self-healing)的隨建即連(Ad hoc)網路或網狀(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，也引起更多的注意。
ZigBee規格之所以適用於遠端無線感測器的原因之一，在於其低功率的實體(PHY)。大致來說，PHY規格可讓ZigBee裝置以868MHz(歐洲)、915MHz(北美)與2.4GHz(世界通用)三種頻帶進行作業。ZigBee收發器最常用的是2.4GHz頻帶，並使用OQPSK(Offset Quadrature Phase Shift Keyed)調變串流。
與類似架構相較，OQPSK僅需較低功率即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)轉為下一個符碼。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5MHz通道頻寬，可讓裝置以合理功率達到最高250kbit/s的傳輸率。
由於ZigBee收發器是針對低功率應用所設計，因此相對之下PHY可容許最高35%的誤差向量幅度(EVM)，卻仍維持合理的位元錯誤率(BER)效能。因此，此系統須要透過更多測試方法以進行設計檢驗作業。
以下將說明需要特定測試的理由，並提供高精確度測試的秘訣，並分成三部分進行說明，包含以向量訊號分析器(VSG)進行傳輸器(Transmitter)測試、以向量訊號產生器(VSA)進行接收器(Receiver)測試、以VSA與VSG進行自動化相容性測試(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。其中某個解決方案採用SeaSolve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，即可於IEEE 802.15.4的相容訊號中執行頻譜與調變量測，此兩種量測類型均為設計檢驗與生產測試所必需。
概略來說，ZigBee傳輸器的頻譜放射(Spectral Emission)作業，將決定其與工業、科學與醫療應用(ISM)頻帶裝置間的互通性。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。常見的測試設定如圖1所示。
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| 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、占用頻寬、高(Upper)/低(Lower)頻帶功率及頻帶總功率。此外，常見的調變分析工具有星座圖(Constellation Plot)、眼圖(Eye Diagram)、互補累積分布函數(CCDF)曲線，與退回的位元流(Bitstream)。常見調變量測為EVM、頻率偏移，與BER。須注意的是，不同的產品開發階段，都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，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。下列每項量測均可使用頻譜分析器或向量訊號分析器。此外，由於向量訊號分析器亦可用於調變量測，因此一般均推薦使用。
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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。頻率遮罩即為圖中線條A，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。 |
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| 圖2 功率頻譜密度圖 |
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帶中功率(Power in Band)量測，將計算特定通道或頻帶中的整合功率(dBm)。此項量測可確保傳輸器不致超過IEEE 802.15.2標準的功率規格。 |
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占用頻寬(Occupied Bandwidth)將退回特定頻帶的頻寬，其中包含99%的頻展(Span)總功率。 |
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鄰近通道功率(Adjacent Channel Power)量測，包含高頻帶與低頻帶中的功率。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。 |
基頻參數量測
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| 圖3 QPSK調變傳輸中的BER與EVM |
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。以圖3為例，將BER作為EVM(%)的函式以進行評估。
如圖3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部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。
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EVM可協助發現多項問題與減損(Impairment)處，如局部振盪器(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，也可透過各個符碼基礎與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。圖4即為每符碼EVM量測的範例。 |
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| 圖4 針對所傳輸ZigBee封包的各符碼EVM |
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| 圖5 ZigBee傳輸訊號的星座圖 |
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)、直流偏移(DC Offset)、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。如圖5所示，上下左右四個點代表復原(Recovered)符碼，而圈圈代表符碼傳輸。
在星座圖中，可看到依圖表參數所發生的所有傳輸作業(以圈圈顯示)，且其並未穿過中央。此即為另外一種形式的OQPSK結構，且其耗用功率低於傳統的QPSK結構。
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| 圖6 包含減損的ZigBee Tx星座圖 |
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。為說明此功能，圖6星座圖即顯示錯誤的Tx訊號。
在圖6中，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，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，局部振盪器的同相(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。 |
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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。 |
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要量化接收器效能的常見方式之一，即是進行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。也因為如此，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，也會進行較簡短的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。 |
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| 圖7 完美的累積分布函數，即代表Tx封包的品質。 |
互補累積分布函數(CCDF)可分析訊號的功率特性。根據先前所提，ZigBee規格也將定義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。圖7即為CCDF曲線，可觀察功率是否發生變動。此圖顯示功率並未發生變動。 |
如圖7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，而不會發生飽和(Saturation)現象。
ZigBee接收器測試
ZigBee接收器的測試需求，往往分為媒體存取控制(MAC)Layer模擬與實體層(PHY Layer)的減損測試兩個部分。MAC Layer模擬作業，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，即可建置上述兩項測試。圖8說明相關測試作業。
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| 圖8 WiPAN對應至ZigBee的協定堆疊 |
如圖8所示，IEEE 802.15.4標準定義ZigBee傳輸的MAC Layer與PHY Layer。常見的測試程序，是以封包產生作業進行MAC Layer模擬，而故意造成訊號減損以測試PHY Layer。
ZigBee訊框類型
ZigBee傳輸作業的MAC Layer，可定義基本的封包與訊框架構。IEEE 802.15.4規格則定義接收器測試作業的四種基本訊框架構，這些訊框類型包含：
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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。 |
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資料訊框(Data Frame)可用於所有的資料酬載(Payload)轉換。 |
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認可訊框(Acknowledgment Frame)可確認訊框接收成功。 |
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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。除此之外，接收器測試也與特定子訊框有關，依類型羅列如下：
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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)。 |
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是由裝置或協調器所使用，可通知其他節點非關聯性(Disassociation)。 |
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表示發生PAN識別器(Identifier)衝突。 |
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代表關聯裝置(Associated Device)已經無法與該協調器進行同步化。 |
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用於同步化，並可傳輸超訊框(Superframe)資訊。 |
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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，也將使用此子訊框。此子訊框可傳輸至整體PAN或單一的獨立(Orphan)裝置。 |
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由關聯裝置使用，可要求分配新的保證時槽(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。 |
設定MAC訊框欄位
此外，也可設定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。
留意產生器減損
由於效能、功率，與成本間經常必須有所取捨，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一道難題。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，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)、加成性白高斯雜訊(AWGN)、頻率偏移(Frequency Offset)、直流偏移、I/Q增益失衡、相位差歪曲，與相位雜訊。
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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，而常造成飽和情形。為了說明此概念，於圖9中顯示功率放大器的基本模擬模型。
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。 |
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| 圖9 設計欠佳的功率放大器常發生飽和情形 |
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| 圖10 包含25dB Eb/N0的ZigBee傳輸作業 |
加成性白高斯雜訊，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)。圖10即顯示此現象。
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。
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Tx與Rx局部振盪器此兩組不同的裝置，若以些微不同的頻率進行操作，即會發生頻率偏移的情形。射頻(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。因此，只要將輕微的載波偏移套用至測試激源內，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)。 |
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直流偏移為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。為了確定接收器可妥善處理直流偏移，必須於設計檢驗階段套用此減損現象。 |
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| 圖11 此為6dB週期性增益失衡的星座圖 |
I/Q增益失衡屬於基頻減損，將影響調變訊號的品質。可透過星座圖觀察到增益失衡。如同圖11所示，I/Q增益失衡即於星座圖中呈水平或垂直延伸。
如同圖11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6dB的幅度定期變化。若針對射頻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，並可能由於接收器的EVM而提升其強度。
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相位差歪曲是由不精確的4相位局部振盪器所造成。在理想的直接降轉換系統中，同相與4相位局部振盪器元件，應為確實的90度反相位。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。此現象就如圖6的星座圖所示。如圖6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。 |
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相位雜訊是因局部振盪器發生錯誤所造成的減損現象。可先將相位雜訊想像成正弦曲線所發生的瞬間抖動。在頻域中，此抖動將造成載波的擴散(Spreading)，而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。圖12顯示此現象。
在圖12中，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10kHz偏移。
若將抖動加入至調變訊號的時域中，則相位雜訊也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。
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| 圖12 相位雜訊將跨鄰近頻率以擴散局部振盪器的功率 |
自動化ZigBee相容性測試
到目前為止，已分別討論了量測作業與減損現象，可進一步了解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，必須同時進行此兩項功能。Seasolve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射頻晶片，檢驗其精確度，其中常見的測試參數包括鎖相迴路(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、局部振盪器洩漏(LO Leakage)、封包錯誤率(PER)與BER測試、鄰近(Adjacent)/替代(Alternate)通道阻絕、最大輸入功率測試。
(本文作者任職於美商國家儀器)