ZigBee 傳輸器測(cè)試的基本概念

概觀

ZigBee 為個(gè)人區(qū)域網(wǎng)路 (Personal area network，PAN) 的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，適用於感測(cè)器監(jiān)控與控制。此篇技術(shù)文件可了解 NI 聯(lián)盟伙伴 SeaSolve 公司所開(kāi)發(fā)的 ZigBee 測(cè)試組合，包含 Transmit (Tx)、Receive (Rx)，與相容性測(cè)試。在此應(yīng)用說(shuō)明中，我們將針對(duì)各測(cè)試類型概述測(cè)試方式與技術(shù)。

ZigBee 就是 IEEE 802.15.4，為無(wú)線裝置之間的低功率短距通訊標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)歸類為無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)路 (Wireless Personal Area Network，WiPAN);該區(qū)域網(wǎng)路亦包含藍(lán)芽 (IEEE 802.15.3) 標(biāo)準(zhǔn)。

ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)已逐漸引起商業(yè)與軍事產(chǎn)業(yè)的興趣，適用於如無(wú)線感測(cè)器網(wǎng)路、家庭自動(dòng)化，與工業(yè)級(jí)控制的應(yīng)用。ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)之所以會(huì)逐漸受到重視，即因?yàn)? ZigBee 適用於可形成自組 (Self-forming) 與自療 (Self-healing) 的隨建即連 (Ad hoc) 網(wǎng)路或嚙合 (Mesh) 網(wǎng)路裝置。此方案的中央「PAN coordinator」裝置，將監(jiān)控網(wǎng)路組態(tài)的情形。在最近幾年中，感測(cè)器網(wǎng)路亦成為軍事/戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用的研究主題。因此將 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)用於定義 Ad hoc 戰(zhàn)場(chǎng)智慧型方案的通訊作業(yè)，亦引起更多的注意。

ZigBee 規(guī)格之所以適用於遠(yuǎn)端無(wú)線感測(cè)器的原因之一，即由於其低功率的 PHY 實(shí)體層 (Physical layer)。大致上來(lái)說(shuō)，PHY 規(guī)格可讓 ZigBee 裝置以下列 3 種頻帶之一進(jìn)行作業(yè)：868 MHz (歐洲)、915 MHz (北美)，與 2.4 GHz (世界通用)。ZigBee 收發(fā)器最常用的即為 2.4 GHz 頻帶，并使用 OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keyed) 調(diào)變串流。與類似架構(gòu)相較，OQPSK 僅需較低功率亦可達(dá)到等同或較佳的傳輸率，因此成為傳統(tǒng) QPSK 的衍生架構(gòu)。OQPSK 使用 90 度的最大相位轉(zhuǎn)換 (Phase transition)，將符碼 (Symbol) 轉(zhuǎn)為下 1 個(gè)符碼。此特性可避免符碼過(guò)沖 (Overshoot)，且所需的傳輸功率略低於傳統(tǒng) QPSK 調(diào)變架構(gòu)。此設(shè)計(jì)整合 5 MHz 通道頻寬，可讓裝置以合理功率達(dá)到最高每秒 250 kb 傳輸率。

由於 ZigBee 收發(fā)器是針對(duì)低功率應(yīng)用所設(shè)計(jì)，因此 PHY 實(shí)體層相對(duì)可容許較大的錯(cuò)誤。事實(shí)上，該裝置可容許最高 35% 的 EVM，卻仍維持合理的位元錯(cuò)誤率 (BER) 效能。因此，此系統(tǒng)需要透過(guò)更多測(cè)試方法，以進(jìn)行設(shè)計(jì)檢驗(yàn)作業(yè)。在下列章節(jié)中，我們將說(shuō)明需要特定測(cè)試的理由，并提供高精確度測(cè)試的秘訣。

如先前所述，我們將分為 3 個(gè)部分進(jìn)行說(shuō)明。包含：

以向量訊號(hào)分析器 (VSG) 進(jìn)行傳輸器測(cè)試 (Transmitter Testing)

以向量訊號(hào)產(chǎn)生器 (VSA) 進(jìn)行接收器測(cè)試(Receiver Testing)

以 VSA 與 VSG 進(jìn)行自動(dòng)化相容性測(cè)試 (Automated Compliance Testing，ACT)

ZigBee 傳輸器測(cè)試

當(dāng)測(cè)試 ZigBee 收發(fā)器的 Tx 訊號(hào)品質(zhì)時(shí)，必須使用向量訊號(hào)分析器，以了解頻譜資訊與調(diào)變后的訊號(hào)品質(zhì)。其中 1 個(gè)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(hào)分析器。透過(guò)此軟體組合，我們即可於 IEEE 802.15.4 的相容訊號(hào)中執(zhí)行頻譜與調(diào)變量測(cè)。但請(qǐng)謹(jǐn)記：此 2 種量測(cè)類型均為設(shè)計(jì)檢驗(yàn)與生產(chǎn)測(cè)試所必要。概略來(lái)說(shuō)，ZigBee 傳輸器的頻譜放射 (Spectral emission) 作業(yè)，將決定其與 ISM (工業(yè)、科學(xué)，與醫(yī)療) 頻帶裝置之間的互通性。此外，Tx 訊號(hào)的調(diào)變品質(zhì)將整合天線效能，以決定該裝置可穩(wěn)定作業(yè)的距離長(zhǎng)短。常見(jiàn)的測(cè)試設(shè)定即為下圖所示。

圖 1. 傳輸器可透過(guò)直接連結(jié)或無(wú)線介面進(jìn)行常見(jiàn)測(cè)試。

常見(jiàn)的頻譜量測(cè)包含：功率頻譜密度、佔(zhàn)用頻寬、高 (Upper)/低 (Lower) 頻帶功率，與頻帶總功率。此外，常見(jiàn)的調(diào)變分析工具包含：星座圖 (Constellation plot)、眼圖 (Eye diagram)、互補(bǔ)累積分佈函數(shù) (Complementary cumulative distribution function，CCDF) 曲線，與退回的位元流 (Bitstream)。常見(jiàn)調(diào)變量測(cè)為：錯(cuò)誤向量幅度 (Error vector magnitude，EVM)、頻率偏移，與位元錯(cuò)誤率 (BER)。請(qǐng)注意，不同的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，均必須進(jìn)行不同的量測(cè)與分析作業(yè)。舉例來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)階段，需要如星座圖的敏銳分析工具，以針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的多種問(wèn)題進(jìn)行除錯(cuò)。而就生產(chǎn)測(cè)試來(lái)說(shuō)，則需要如 EVM 與頻率偏移此類屬於定義性的量測(cè)，以比較系統(tǒng)效能與測(cè)試限制。

ZigBee Tx 頻譜分析

接著將說(shuō)明各項(xiàng)基礎(chǔ)頻域 (Frequency domain) 量測(cè)與其重要性。并請(qǐng)注意，下列每項(xiàng)量測(cè)均可使用頻譜分析器或向量訊號(hào)分析器。由於向量訊號(hào)分析器亦可用於調(diào)變量測(cè) (下段將接著說(shuō)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范圍中的情形。此項(xiàng)量測(cè)可確保傳輸器是於 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的頻譜遮罩中作業(yè)。如圖 2 所示，頻率遮罩正與輸出功率進(jìn)行比較。頻率遮罩即為圖中白色線條，代表傳輸器可發(fā)射至鄰近頻帶 (Adjacent band) 的功率限制。當(dāng)進(jìn)行裝置的除錯(cuò)作業(yè)時(shí)，若濾波器設(shè)計(jì)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(cè)，將計(jì)算特定通道或頻帶中的整合功率 (dBm)。此項(xiàng)量測(cè)將可確保傳輸器不致超過(guò) IEEE 802.15.2 標(biāo)準(zhǔn)的功率規(guī)格。

佔(zhàn)用頻寬 (Occupied bandwidth)

佔(zhàn)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(cè)，將包含高 (Upper) 頻帶與低 (Lower) 頻帶中的功率。根據(jù) IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，高頻帶為朝向作業(yè)頻率右方的 5MHz;低頻帶為朝向作業(yè)頻率左方的 5MHz。

基頻 (Baseband) 量測(cè)

基頻 (Baseband) 參數(shù)量測(cè)，將確保 ZigBee 的傳輸封包可由接收器進(jìn)行解碼。由於 ZigBee 收發(fā)器即設(shè)計(jì)為低功率作業(yè)，且不需要過(guò)高的資料傳輸率，因此往往犧牲調(diào)變品質(zhì)以降低耗用功率。整體來(lái)說(shuō)，量測(cè)品質(zhì)是為了評(píng)估位元錯(cuò)誤的可能性 (Likelihood)。以下圖為例，我們將 BER 做為 EVM (%) 的函式以進(jìn)行評(píng)估。

圖 3. QPSK 調(diào)變傳輸中的 BER vs. EVM

如圖所示，當(dāng) QPSK 收發(fā)器的 EVM 從 15% 提升至 30% 時(shí)，BER 將大幅增加。相對(duì)來(lái)說(shuō)，大多數(shù) ZigBee 裝置在進(jìn)行作業(yè)時(shí)，其 EVM 必須低於 35%。因此，量測(cè)調(diào)變的精確度更顯重要，以確保收發(fā)器能夠於該佈署環(huán)境中進(jìn)行有效作業(yè)。如下所述，僅需數(shù)個(gè)插槽與量測(cè)作業(yè)，即可完成該項(xiàng)需求。

錯(cuò)誤向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)

EVM 可協(xié)助發(fā)現(xiàn)多項(xiàng)問(wèn)題與減損 (Impairment) 處，如局部震盪器 (Local Oscillator，LO) 穩(wěn)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(guò) EVM 量測(cè)，即可了解系統(tǒng)線性度 (Linearity) 與效率。在分析程序期間，使用者可隨時(shí)檢查 EVM 是否低於 35% 的標(biāo)準(zhǔn)特定參考值，以確保傳輸訊號(hào)的解調(diào) (Demodulation) 作業(yè)無(wú)虞。一般來(lái)說(shuō)，亦可透過(guò)各符碼基礎(chǔ)與 RMS EVM% 量測(cè)作業(yè)得到 EVM;而后者更可針對(duì)整組封包取得 EVM 平均值。下圖即為每符碼 EVM 量測(cè)的范例：

圖 4. 針對(duì)所傳輸 ZigBee 封包的各符碼 EVM。

星座圖(Constellation Plot)

星座圖可呈現(xiàn)解調(diào)過(guò)后的基頻波形。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(shè)計(jì)檢驗(yàn)階段最重要的圖表之一。不同於僅提供簡(jiǎn)單數(shù)值的 EVM 量測(cè)，星座圖亦可呈現(xiàn)錯(cuò)誤來(lái)源。如下圖所示，紅色代表復(fù)原 (Recovered) 符碼，而白色代表符碼傳輸。

圖 5. ZigBee 傳輸訊號(hào)的星座圖。

在星座圖中，我們可看到依圖表參數(shù)所發(fā)生的所有傳輸作業(yè) (以白色顯示)，且其并未穿過(guò)中央。此即為另外 1 種形式的 OQPSK 結(jié)構(gòu)，且其耗用功率低於傳統(tǒng)的 QPSK 結(jié)構(gòu)。

雖然 EVM 屬於可進(jìn)行減損量化 (Quantifying) 的特殊機(jī)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(shuō)明此功能，下方星座圖即顯示了錯(cuò)誤的 Tx 訊號(hào)。

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(fā)現(xiàn)該圖是以順時(shí)鐘的方式微微延展 (即 Θ 角小於 90 度)。透過(guò)此特性，即可了解該減損屬於相位差歪曲。換句話說(shuō)，局部震盪器 (LO) 的同相 (In-phase) 與 4相位 (Quadrature-phase) 元件，并非精確的 90 度反相位 (Out of phase)。雖然 EVM 可透過(guò)數(shù)值得知多項(xiàng)減損，但星座圖卻可進(jìn)一步找出錯(cuò)誤來(lái)源。

眼圖 (Eye Diagram)

眼圖亦可表示 Tx 訊號(hào)的調(diào)變特性。與星座圖相反，眼圖可檢視訊號(hào)的時(shí)域 (Time domain)，并可呈現(xiàn)其形式或通道失真。透過(guò)此量測(cè)方式，工程師可決定最佳取樣點(diǎn) (Sampling point) 并進(jìn)行資料解碼。分析作業(yè)期間，使用者亦可在移除偏移 (OQPSK -> QPSK) 之后，檢查訊號(hào)中的最大開(kāi)口 (Eye-opening)，以檢驗(yàn)解調(diào)的屬性。

資料位元數(shù)

要量化接收器效能的常見(jiàn)方式之一，即是進(jìn)行位元錯(cuò)誤率 (BER) 的量測(cè)。由於低 EVM 極少發(fā)生錯(cuò)誤，因此依調(diào)變品質(zhì)的不同，BER 量測(cè)可能極為耗時(shí)。亦因如此，往往於設(shè)計(jì)檢驗(yàn)過(guò)程期間，進(jìn)行延伸的 BER 測(cè)試。在生產(chǎn)測(cè)試中，亦會(huì)進(jìn)行較簡(jiǎn)短的 BER 測(cè)試。只要回傳以 1 與 0 字串所代表的解碼原始資料，即可進(jìn)行 BER 量測(cè)作業(yè)。只要將這些數(shù)值與已知的傳輸作業(yè)相比較，即可計(jì)算出 BER。

互補(bǔ)累積分佈函數(shù)(CCDF)

互補(bǔ)累積分佈函數(shù) (Complementary Cumulative Distribution Function，CCDF) 可分析訊號(hào)的功率特性。根據(jù)先前所提，ZigBee 規(guī)格亦將定義 OQPSK 調(diào)變架構(gòu)的使用方式，以將所需功率壓至最低。因此，在理想狀態(tài)下，只要 Tx 可達(dá)穩(wěn)定功率，傳輸器即可達(dá)到最大功率效益。下圖即為 CCDF 曲線，可觀察功率是否發(fā)生變動(dòng)。此圖即代表功率并未發(fā)生變動(dòng)。

圖 7. 完美的累積分佈函數(shù)，即代表 Tx 封包的品質(zhì)。

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(cè)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(huì)發(fā)生過(guò)溢 (Saturation)。

ZigBee 接收器測(cè)試

ZigBee 接收器的測(cè)試需求，往往分為 2 個(gè)部分：MAC Layer 模擬與實(shí)體層 (PHY Layer) 的減損測(cè)試。MAC Layer 模擬作業(yè)，將用以確認(rèn) ZigBee 接收器可適當(dāng)回應(yīng)所產(chǎn)生的指令。而減損測(cè)試作業(yè)，將持續(xù)降低測(cè)試激發(fā) (Test stimulus) 的調(diào)變品質(zhì)，藉以測(cè)試接收器。只要使用 SeaSolve 公司的 WiPAN LVSG 訊號(hào)產(chǎn)生解決方案，并搭配 PXI 向量訊號(hào)產(chǎn)生器，即可建置上述 2 項(xiàng)測(cè)試。下圖即說(shuō)明相關(guān)測(cè)試作業(yè)。

圖 8. WiPAN 對(duì)應(yīng)至 ZigBee 的協(xié)定堆迭

如上圖所示，IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義了 ZigBee 傳輸?shù)?MAC Layer 與 PHY Layer。常見(jiàn)的測(cè)試程序，則是以封包產(chǎn)生作業(yè)進(jìn)行 MAC Layer 模擬;故意造成訊號(hào)減損以測(cè)試 PHY Layer。

ZigBee 訊框類型

ZigBee 傳輸作業(yè)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(gòu)。IEEE 802.15.4 規(guī)格則定義接收器測(cè)試作業(yè)的 4 種基本訊框架構(gòu)。這些訊框類型包含：

指標(biāo)訊框 (Beacon frame) 可透過(guò)協(xié)調(diào)器 (Coordinator) 傳輸指標(biāo)。指標(biāo)封包將啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)，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(zhuǎn)換

認(rèn)可訊框 (Acknowledgment frame) 可確認(rèn)訊框接收成功

MAC 指令訊框 (Command frame) 可處理 MAC 同層實(shí)體 (Peer-entity) 的控制轉(zhuǎn)換

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

Association request – 為與 PAN 協(xié)調(diào)器相關(guān)連的請(qǐng)求。

Association response – 為協(xié)調(diào)器以關(guān)聯(lián) (Association) 狀態(tài)做出的回覆 (可能性包含：Association Successful、PAN at capacity、Access denied)

Disassociation notification – 是由裝置或協(xié)調(diào)器所使用，可通知其他節(jié)點(diǎn)非關(guān)聯(lián)性 (Disassociation)。

Data request – 可自協(xié)調(diào)器索取資料。

PAN ID conflict notification – 表示發(fā)生 PAN 識(shí)別器 (Identifier) 沖突

Orphan notification- 代表關(guān)聯(lián)裝置 (Associated device) 已無(wú)法與該協(xié)調(diào)器進(jìn)行同步化

Beacon request – 用於同步化，并可傳輸超訊框 (Superframe) 資訊

Coordinator realignment – 可讓協(xié)調(diào)器回覆 Orphan Notification 指令。當(dāng) PAN 屬性因邏輯通道資訊而發(fā)生變化時(shí)，亦將使用此子訊框。此子訊框可傳輸至整體 PAN 或單一的獨(dú)立 (Orphan) 裝置。

GTS request – 由關(guān)聯(lián)裝置使用，可要求分配新的保證時(shí)槽 (Guaranteed time slot，GTS)，或要求取消 PAN 協(xié)調(diào)器的現(xiàn)有 GTS 分配。此子訊框亦可定義 GTS 欄位的長(zhǎng)度、方向，與類型。

MAC 訊框欄位設(shè)定

此外亦可設(shè)定 MAC 訊框欄位。常見(jiàn)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(chǎn)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(fā)器必須以相對(duì)較低的調(diào)變品質(zhì)進(jìn)行作業(yè)。然而，ZigBee 收發(fā)器測(cè)試作業(yè)卻也形成另 1 道難題。當(dāng)執(zhí)行測(cè)試時(shí)，實(shí)驗(yàn)室必須模擬嚴(yán)苛環(huán)境，以確保收發(fā)器可達(dá)到效能規(guī)格，并可相容於 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)。WiPAN LVSG 軟體可套用多種減損情形，以測(cè)試設(shè)備互通性 (Interoperability)，以了解傳輸作業(yè)的缺點(diǎn)與實(shí)體通道的問(wèn)題。并可新增特定減損，包含：無(wú)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(wú)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(hào)中造成失真。一般來(lái)說(shuō)，由於非線性將於振幅中持續(xù)產(chǎn)生波動(dòng)，因此調(diào)變訊號(hào)特別容易受到影響。還好，ZigBee 裝置均使用 OQPSK 調(diào)變架構(gòu)，產(chǎn)生失真的機(jī)率均低於最普遍的調(diào)變架構(gòu)。然而，又由於功率需求的關(guān)係，ZigBee 收發(fā)器往往必須迎合功率放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，而常造成過(guò)溢 (Saturation) 情形。為了說(shuō)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(shè)計(jì)欠佳的功率放大器常發(fā)生過(guò)溢情形。

當(dāng)功率放大器達(dá)到滿溢點(diǎn)時(shí)， Tx 訊號(hào)即可能發(fā)生嚴(yán)重的失真。因此，接收器檢驗(yàn)作業(yè)即必須模擬此項(xiàng) ZigBee 收發(fā)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(hào)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(zhǔn)確度。透過(guò)星座圖，即可清楚看到 AWGN 所造成的符碼擴(kuò)散 (Symbol spreading)。下圖即顯示此現(xiàn)象。

圖 10. 包含 25 dB Eb/N0 的 ZigBee 傳輸作業(yè)。

由於 SNR 將與傳輸距離成反比，因此 ZigBee 若進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸作業(yè)，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(cuò)誤的可能性，并降低整體系統(tǒng)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(jìn)行操作，即會(huì)發(fā)生頻率偏移的情形。RF 訊號(hào)若發(fā)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(lái)說(shuō)，若基頻波形發(fā)生小幅的載波偏移，則可透過(guò)訊號(hào)處理運(yùn)算式移除之。因此，只要將輕微的載波偏移套用至測(cè)試激源中，即可於設(shè)計(jì)檢驗(yàn)階段測(cè)試此項(xiàng)特性。若不妥善處理頻率偏移，則將造成接收器無(wú)法以傳輸訊號(hào)進(jìn)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(jiàn)問(wèn)題。此減損現(xiàn)象可能造成載波洩漏，進(jìn)而影響調(diào)變訊號(hào)的品質(zhì)。同時(shí)導(dǎo)致接收器的 EVM 升高，并產(chǎn)生位元錯(cuò)誤。為了要確定接收器可妥善處理 DC 偏移，則必須於設(shè)計(jì)檢驗(yàn)階段套用此減損現(xiàn)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(diào)變訊號(hào)的品質(zhì)。我們可透過(guò)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(xiàn)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(shè)定以 6 dB 的幅度定期變化。若針對(duì) RF 建置直接升轉(zhuǎn)換作業(yè)，則增益失衡極有可能產(chǎn)生影響。此現(xiàn)象起因於基頻子系統(tǒng) I 與 Q 輸出之間的振幅落差 (Amplitude disparity)，并可能由於接收器的 EVM 而提升其強(qiáng)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(zhuǎn)換系統(tǒng)中，同相 (In-phase) 與 4 相位 (Quadrature-phase) LO 元件，應(yīng)為確實(shí)的 90 度反相位 (Out of phase)。然而，只要理想值出現(xiàn)些微誤差，則可能影響解調(diào)基頻波形的相位與振幅。此現(xiàn)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(fā)生錯(cuò)誤，所造成的減損現(xiàn)象。我們可先將相位雜訊想像為正弦曲線所發(fā)生的瞬間抖動(dòng)。在頻域 (Frequency domain) 中，此抖動(dòng)將造成載波的「擴(kuò)散 (Spreading)」;并針對(duì)所需的中央頻率來(lái)說(shuō)，其功率所產(chǎn)生的頻率將形成偏移。下圖即顯示此現(xiàn)象。

圖 12. 相位雜訊將跨鄰近頻率以擴(kuò)散 LO 的功率。

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

若將抖動(dòng)加入至調(diào)變訊號(hào)的時(shí)域中，則相位雜訊亦將造成解調(diào)基頻波形的相位不定性 (Uncertainty)。在星座圖中，只要注意符碼的擴(kuò)散情形與星座圖的參數(shù)，即可發(fā)現(xiàn)相位雜訊。

自動(dòng)化 ZigBee 的相容性測(cè)試

到目前為止，我們分別討論了量測(cè)作業(yè)與減損現(xiàn)象，以進(jìn)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(shí)進(jìn)行傳輸與接收 (收發(fā)器) 的功能。也因此 ZigBee 收發(fā)器的生產(chǎn)測(cè)試，必須同時(shí)進(jìn)行此 2 項(xiàng)功能。Seasolve 公司的 Automated Compliance Testing 軟體，可提供 Tx 與 Rx 的測(cè)試序列，以透過(guò) IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，迅速標(biāo)定 DUT 的相容性與效能。此軟體除了可執(zhí)行上述的多項(xiàng)測(cè)試作業(yè)之外，并提供測(cè)試結(jié)果的詳細(xì)報(bào)表。

這些測(cè)試功能均最佳化其速度，以縮短測(cè)試時(shí)間;并透過(guò)多家尖端製造商的 RF 晶片，檢驗(yàn)其精確度。我們無(wú)法於此逐一詳述測(cè)試作業(yè)的細(xì)節(jié)，僅於下方列出常見(jiàn)的測(cè)試參數(shù)：

PLL 頻率測(cè)試

TX 增益測(cè)試

混附發(fā)射 (Spurious Emission) 測(cè)試

相位雜訊測(cè)試

IQ 量測(cè)作業(yè)

功率頻譜密度

載波抑制 (Carrier Suppression) 測(cè)試

局部震盪器洩漏 (LO Leakage)

PER 與 BER 測(cè)試

鄰近 (Adjacent)/替代 (Alternate) 通道阻絕

最大輸入功率測(cè)試

結(jié)論

雖然 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)可為嚙合 (Mesh) 與隨建即連 (Ad hoc) 網(wǎng)路的低功率通訊絕佳機(jī)制，卻也造成多項(xiàng)測(cè)試難題。還好，Seasolve 公司的 WiPAN LVSA、LVSG，與 ACT 軟體，進(jìn)一步整合了 PXI 儀控，以解決此應(yīng)用挑戰(zhàn)。只要透過(guò)合適的軟體與硬體，即可進(jìn)行多項(xiàng) Tx 與 Rx 量測(cè)，并讓 ZigBee 裝置可完全相容於 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，且可互通其他裝置。