集成ZigBee 的射頻實現(xiàn)與測試

在設(shè)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(chǎn)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(yīng)用性能的要求。由于低成本無線技術(shù)在許多電子產(chǎn)品應(yīng)用中激增，簡化ZigBee 模塊性能的驗證和檢驗非常重要。本應(yīng)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(yīng)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(shù)在各種短距離控制和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中非常流行。ZigBee協(xié)議提供了一個由設(shè)備組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，因此大型區(qū)域及數(shù)百臺、甚至數(shù)千臺設(shè)備可以相互通信。至少在理論上，不同來源的 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(yīng)用或特定功能中工作。

無線系統(tǒng)應(yīng)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(chǎn)品。圍繞著這套通信標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)開發(fā)出了豐富的IC和模塊支持結(jié)構(gòu)，這些模塊帶有天線，并經(jīng)FCC 或其它地區(qū)機(jī)構(gòu)認(rèn)證。每個IC 和模塊還有兩個增強(qiáng)選項。嵌入式產(chǎn)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(yīng)用。也有的IC 和模塊內(nèi)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(chǎn)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(jī)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(yīng)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(shè)計考慮因素

當(dāng)越來越多的產(chǎn)品采用ZigBee技術(shù)時，從許多類型的無線系統(tǒng)中選擇一種應(yīng)用，設(shè)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(shè)計和機(jī)構(gòu)認(rèn)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(shù)是補償模塊設(shè)計費用及模塊制造商成本。然而，無線電路設(shè)計及機(jī)構(gòu)認(rèn)證也具有成本。對基于IC 的設(shè)計，如果要使用ZigBee 協(xié)議，ZigBee 聯(lián)盟測試和認(rèn)證會增加成本。經(jīng)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(chǎn)品準(zhǔn)備就緒，就可以推廣預(yù)認(rèn)證的模塊。集成電路級設(shè)計的機(jī)構(gòu)審批時間最短要一個月，但通常要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎn)品必需接近最后形狀，軟件需要基本完成之后，才能開始認(rèn)證測試。

3. 外觀形狀-設(shè)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(shè)計中，根據(jù)產(chǎn)品的整體配置，無線系統(tǒng)可以利用模塊放不進(jìn)去的空間。一般來說，提供的模塊所有部件都位于PCB一側(cè)，以便模塊能夠焊接到主電路板上。在定制設(shè)計中，部件可以放到任何配置中，并放在電路板的兩側(cè)。

4. 協(xié)議靈活性-許多模塊或內(nèi)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(yīng)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(nèi)部，或離最終封裝設(shè)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(jīng)過認(rèn)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(jī)構(gòu)認(rèn)證，這會導(dǎo)致相應(yīng)的成本和時間。

集成的射頻測試驗證

一旦選擇了無線實現(xiàn)方式，進(jìn)行了相應(yīng)的PCB 布線，編寫了必要的軟件，那么需要進(jìn)行大量的測試，以保證良好的通信：對許多應(yīng)用來說，無線系統(tǒng)與產(chǎn)品其它部分之間要進(jìn)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(guān)組件，如功放。需要使用SPI 命令，設(shè)置內(nèi)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(shù)。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(shù)據(jù)包發(fā)送到IC 或模塊，發(fā)送命令傳送數(shù)據(jù)包。接收機(jī)數(shù)據(jù)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(chǎn)品的其它方面。在許多應(yīng)用中，無線傳輸?shù)亩〞r至關(guān)重要，以便產(chǎn)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(guān)的方式同時查看RF信號、模擬信號和數(shù)字信號。設(shè)置和數(shù)據(jù)命令從PC 發(fā)送，允許手動控制。圖 3顯示了測試設(shè)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(zhǔn)后的天線，進(jìn)行RF 測量

驗證射頻工作的一些關(guān)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(yīng)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(yù)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(jié)果。測試電纜在這個頻率范圍內(nèi)損耗約2 dB，因此功率測量位于預(yù)計范圍內(nèi)。

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(shù)因數(shù)除以分辨率帶寬。在本例中，我們使用默認(rèn)的Kaiser FFT 函數(shù)(因數(shù)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(shù)據(jù)包傳輸期間觀察和測量數(shù)據(jù)。只有在啟動無線數(shù)據(jù)包發(fā)射之后，這一采集才是相關(guān)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(shù)字下變頻生成I (實數(shù))和Q (虛數(shù))數(shù)據(jù)。每個I 和Q 數(shù)據(jù)樣點表示當(dāng)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(shù)據(jù)中計算出RF 幅度隨時間的變化。