2.4GHz频段ZigBee模块射频指标测试方法*

夏俊雯于磊詹志强陶卫/ 1.上海交通大学；.上海市在线检测与控制技术重点实验室



2.4GHz频段ZigBee模块射频指标测试方法*

夏俊雯1，2于磊1，2詹志强2陶卫2/ 1.上海交通大学；2.上海市在线检测与控制技术重点实验室

摘 要通过对ZigBee模块在2.4 GHz频段射频指标测试方法的研究，利用上海市计量测试技术研究院通信实验室现有设备——矢量信号发生器、矢量信号分析仪、微波峰值功率计等对TI公司CC253X系列的ZigBee模块进行射频指标的测试。试验结果符合IEEE 802.15.4-2011中的技术指标，实现了ZigBee模块射频指标的溯源。研究得出的测试方法同样适用于其他生产厂不同型号模块的射频指标测试，满足了不同客户的需求，同时促进了ZigBee在各领域的应用发展。

关键词物联网；ZigBee；射频指标；测试；ZigBee模块；2.4 GHz

0　引言

Zigbee是部署无线传感器网络的新技术。它是一种短距离、低速率无线网络技术，也是一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的崭新近程无线网络通信技术。它具有广阔的市场前景，作为目前全球公认的最后100 m主要技术解决方案，ZigBee得到了全球主要国家前所未有的关注。这种技术由于相比于现有的WiFi、蓝牙、433M/315M等无线技术更加安全、可靠，同时由于其组网能力强、具备网络自愈能力并且功耗更低。ZigBee的这些特点与物联网的发展要求非常贴近，目前已经成为全球公认的最后100 m的最佳技术解决方案,其在生产、生活中的应用愈加广泛，常见的有智能家居、楼宇自动化、矿井人员定位、仓储跟踪、医疗等。

随着物联网的快速发展，ZigBee芯片质量成为供求双方都关注的问题，其射频指标的好坏影响到ZigBee系统的通信性能。虽然IEEE 802.15.4-2011标准中对ZigBee模块射频指标做了明确规定，但如何测量这些指标并未提及，国内也未发布相关测试标准。如何溯源以及溯源方法是否准确成为生产厂以及使用者共同关心的问题。

1　ZigBee常见的芯片种类

1）CC2430：这是TI公司的一个关键产品，可用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点，包括协调器、路由器和终端设备。

2）CC2530：它是TI公司继CC2430、CC2431之后的又一款2.4 GHz（2.4～2.483 GHz）ISM ZigBee产品。

3）Freescale MC1321x：MC1321x是飞思卡尔半导体公司推出、符合IEEE 802.15.4-2011的下一代收发信机，它包括一个集成的发送/接收（T/R）开关，可以帮助降低对外部组件的需求，从而降低原料成本和系统总成本。

4）STM32W108：意法半导体（ST）公司于2009年底推出的STM32W系列无线射频WSN/ZigBee单片机，片上整合了2.4 GHz IEEE 802.15.4-2011收发器。

本文以TI公司CC253X系列的ZigBee模块为例，介绍其射频技术指标测试方法。

2　技术指标

根据IEEE 802.15.4-2011，ZigBee模块射频指标如下:

1）发射部分

（1）输出功率不小于-3 dBm；

（2）EVM小于35%；

（3）中心频率容限：±40×10-6；

（4）频谱模板测试，包括相对功率谱密度、绝对功率谱密度（使用100 kHz RBW测量），具体要求见表1。其中fc是中心频率，参考功率为其±1 MHz载波频率内测得的最高平均谱功率。当|f-fc|>3.5 MHz时读取f点的峰值功率，要求其比参考功率低-20 dB，同时绝对功率必须低于-30 dBm。

表1　2.45GHz频段ZigBee频谱发射模板

2）接收部分

（1）接收模块灵敏度：-85 dBm或者以下；

（2）接收模块干扰抑制；相邻信道0 dB，备用信道30 dB；

（3）最大输入电平：-20 dBm；

（4）频率允许误差：±40×10-6。

3　测试用主要设备

根据前面介绍的技术指标，结合本通信实验室现有的设备状况，ZigBee模块射频指标的测试选用下列主要设备。

3.1矢量信号发生器

矢量信号发生器主要用于产生矢量信号，即数字通信中常用的调制信号，支持I/Q调制。频率上限3 GHz，电平范围为-130～15 dBm，同时设备需内置ZigBee软件产生ZigBee协议信号。本次测试需要使用两台矢量信号发生器，一台用于产生测试信号，另一台用于产生干扰信号。

3.2矢量信号分析仪

矢量信号分析仪把时域、频域和调制域分析集于一体，为复杂的时变信号提供最先进的测量，可以实现ZigBee信号的矢量解调，并实现ZigBee输出信号的频谱模板测试。

频率上限大于3 GHz，具有ZigBee信号的解调选件。

3.3微波峰值功率计

微波峰值功率计主要用于输出ZigBee信号突发功率测量，频率范围覆盖2.4 GHz。

3.4定向耦合器

定向耦合器主要用于ZigBee模块接收模块性能测试时的干扰信号耦合，耦合度为20 dB，方向性大于40 dB，频率范围应覆盖2.4 GHz频段。

4　测试方法

由于TI公司生产的CC253X系列芯片主要用于各类ZigBee生产厂商开发ZigBee应用器件，这类芯片无法直接设置发射、接收状态，更没有输出端口检测射频指标，故通常需要选择同芯片相配合的评估套件以及开发套件进行测试。ZigBee芯片、ZigBee评估套件及ZigBee开发套件，如图1所示。

图1　（1）ZigBee芯片　（2）ZigBee评估套件　（3）ZigBee开发套件

搭配评估、开发模块后可将模块的发射、接收口连接相关的检测设备进行以下参数的测试。

4.1输出功率

ZigBee模块输出功率的准确性对ZigBee模块的使用具有非常重要的作用，输出功率使用微波峰值功率计来测量。

如图2连接设备，打开开发模板，选择模块类型，再选择通信信道。本次测试选择2 405 MHz，也就是Ch.11。由于每个CC253X系列模块都可用于发射或者接收，故选择完频段后仍需要选择模块的模式。此时选择发射，可进入选择发射功率设置菜单。在菜单中选择一个功率点输出，若选择输出模式为Packet TX，采用微波峰值功率计读取模块的输出功率值，与标称值进行比较，可计算出误差值；若选择输出模式为Continuous TX，则采用微波功率计读取模块的输出功率值。

图2　输出功率测试

由于输出功率的不确定度来源主要有功率计的功率测量误差、失配误差以及测量重复性。其中功率计的功率测量误差引起的标准不确定度分量为0.055 dB，失配误差引起的不确定度分量为0.06 dB，测量重复性引起的不确定度分量为0.01 dB，经计算可得测量结果的不确定度为Urel= 0.20 dB（k = 2）。

表2　ZigBee信道频段分配

4.2发射信号EVM

EVM（Error Vector Magnitude）实质上是指调制误差，如图3所示。

图3　调制误差计算

测量时码片分I、Q两路，其值用（Ij，Qj）表示。接收到码片之后进行判决是接收到哪种码片，其值用表示。判决的误差为（δIj，δQj）。那么就有下面的公式：

调制误差表示为

式中：S —— 理想星座点的矢量幅度；

1≤N≤1 000；

1≤j≤N

运行CC253X软件，设定其输出频率为CH20，2 450 MHz，输出功率为-10 dBm，选择发射1 000个包。

测量EVM时，将ZigBee模块连接一台矢量信号分析仪，基本设置如下：调制格式为Offset QPSK；Symbol rate为1 MHz；Result length为500；Points/ symbol为10；Measurement filter为off；Reference filter为half-sin；Alpha/BT为0.35；Search length 3 ms；选中Pulse search，确认星座图正确完整后可读取EVM。

由于EVM的不确定度来源主要有矢量信号分析仪测量EVM的最大允许误差、矢量信号分析仪的分辨力以及测量重复性。经过评定，可得矢量信号分析仪测量EVM的最大允许误差引起的标准不确定度分量为0.29%，矢量信号分析仪的分辨力引起的标准不确定度分量为0.000 3%，测量重复性引起的标准不确定度分量为0.01%，根据计算可得测量结果的不确定度为U = 0.6%（k = 2）。

4.3发射信号频率容限

IEEE 802.15.4-2011允许发射信号存在±40× 10-6的频率偏移。接收模块的频率也可存在最多±40×10-6的误差。因此，发射模块和接收模块之间的总频率偏移容限为±80×10-6。接收模块可执行自动频率控制单元来补偿频率偏移，借此提高其灵敏度等级。

发射模块的频率容限测试设备连接图如图4所示。连接设备后，发射信号，读取矢量信号分析仪的解调结果，读取其中的中心频率值，并根据发射模块设定的频率值计算误差，利用下面公式计算其发射中心频率容限。

式中：Δf —— 矢量信号分析仪的频率误差读数；

f0—— ZigBee模块输出频率设定值；

δf —— 发射中心频率误差

图4　EVM测试

4.4频谱模板

由于基带的码片速率是2 Mchip/s，因此其带宽肯定在2 MHz以上。脉冲成型后的波形实际包含无限频率成分，不同频率成分的幅度不同，其高频的成分幅度实际很小。但如果把脉冲成型后的信号直接发送出去，其带外功率就不满足规定要求了，即带外的频率幅度会较高，解决办法是在发射端对基带信号进行滤波，降低带外辐射。

测试连接图如图4所示。将ZigBee发射模块连接矢量信号分析仪，按照要求设定ZigBee模块的输出信号频率和输出功率，设定矢量信号分析仪的中心频率与ZigBee模块输出频率相同，在矢量信号分析仪的频谱显示图中测量其输出信号是否满足模板要求。测试时采用100 kHz带宽，首先读取输出信号中心最高峰值时的信号输出功率，标记此时的功率为A1，然后将中心频率偏置+3.5 MHz，读取此时的通带功率值A2+dBm，再将中心频率偏置-3.5 MHz，读取此时的通带功率值A2-dBm。A2+和A2-的值应该比A1电平小20 dB以上,并且A2+和A2-的值应该都小于-30 dBm。

4.5接收灵敏度

接收灵敏度是指接收模块能够正确进行接收时信号功率的最小值，此时没有任何干扰，因此影响接收的就是噪声，包括热噪声、内部处理带来的噪声等。IEEE 802.15.4-2011规定，测量灵敏度时每个帧的PSDU长度为20个字节，发送1 000个包，保证误码率低于1%。

根据图5连接设备，设置矢量信号发生器的输出频率为2 405 MHz，输出电平为-70 dBm。运行ZigBee模块的误码率测试程序，读取误码率，此时应为0。继续以1 dB的间隔减小矢量信号发生器的输出电平，同时读取ZigBee模块的误码率，当为1%时，读取矢量信号发生器的输出功率值，此即接收模块灵敏度。

图5　接收灵敏度测试连接

4.6接收模块干扰抑制

接收模块干扰抑制是接收端对带外信号功率的抑制，这是保证无线通信设备共存性的重要规定。因为带外信号不在接收频段范围内，如果不采取干扰抑制，就会对接收设备造成干扰。IEEE 802.15.4-2011规定的相邻信道、备用信道定义如表3所示。

接收模块干扰抑制测试需要两台矢量信号发生器外加一个定向耦合器，图6为其测试方框图。矢量信号发生器1的输出接至定向耦合器的直通臂，矢量信号发生器2接耦合臂（耦合系数为20 dB），ZigBee终端接至直通臂输出。

表3　频道

图6　接收模块干扰抑制测试连接

在相邻信道干扰测试中，预期信号和相邻信道干扰功率相等（-82 dBm），且预期信号是个伪随机的IEEE802.15.4-2011标准调制信号，即设定矢量信号发生器1输出频率为2 450 MHz，输出功率为-82 dBm；设定矢量信号发生器2输出频率为2 455 MHz，输出功率为-62 dBm（由于信号发生器的输出接至定向耦合器的耦合臂，其耦合度为20 dB，减去20 dB的耦合度就实现了输出信号为-82 dBm），此时的误码率应小于1%。减小矢量信号发生器2的输出信号电平，同时观察误码率，到误码率为1%时记录其输出电平。此电平减去20 dB即干扰信号电平，此电平减去-82 dBm即为输出信号的相邻信道功率抑制。

将矢量信号发生器2的输出频率更改为2 445 MHz，重复以上步骤。

备用信道干扰测试方法同相邻信道干扰测试，只需要将矢量信号发生器的输出功率相较之前减小30 dB。因为标准规定备用信道功率需高于预期信号30 dB。

4.7接收模块最大输入电平

根据标准规定，接收模块最大输入电平应大于等于-20 dBm，测试条件及方法同灵敏度测试。记录误码率PER达到1%时矢量信号发生器的输出功率。

4.8接收模块的频率容限

改变中心频率值，同时测量其误码率PER。当PER达到1%时，其接收模块频率容限应满足±40×10-6。

运行矢量信号发生器中的ZigBee信号输出软件，设置其中心频率为2 450 MHz，设置CC253X模块为接收机状态。

正向改变输出信号频率，直至变为2 450.098 MHz（此时的接收模块频率偏差为+40×10-6），负向改变矢量信号发生器的输出信号频率，直至变为2 449.002 MHz，运行误码率测试软件，观看误码率，此指标应小于1%。

5　结语

表4为对TI公司CC253X模块的测试结果。从表4可以看出，其技术指标符合要求。

表4　测试结果

本文的研究结果同样适用于其他不同型号ZigBee模块的射频指标测试。

参考文献

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ZigBee模块基本上包括下列组件：微处理器、内存、模数转换器、通用输入/输出端口、射频模块。由于一个ZigBee收发模块不会同时接收和发射，故本文将模块的发射、接收指标分开列出。

The test methods for RF specification of the ZigBee module on 2.4 GHz frequency band

Xia Junwen1,2, Yu Lei1,2, Zham Zhiqiang2, Tao Wei1
（1.Shanghai JiaoTong University; 2.Key Laboratory of Shanghai On-line measurement and control technology）

Abstract:Based on the research of test methods for RF specification of the ZigBee module on 2.4 GHz frequency band, the existing equipments of the Communication Laboratory of SIMT, such as vector signal generator, vector signal analyzer and microwave peak power meter, are used to test RF specification of series CC253X ZigBee module developed by TI Company. The test results meet the technical requirements of IEEE 802.15.4-2011, and realize the traceability of RF spcification of ZigBee module. The test methods are also applicable to RF specification of different types of modules developed by other companies. They meet different demands of customers, and promote the application and development of ZigBee modules in various fields.

Key words:internet of things; ZigBee; RF specification; test, ZigBee module; 2.4 GHz

*基金项目：国家科技支撑计划项目（2014BAK02B04）；国家质量监督检验检疫总局科技计划项目（2014QK138）