加速ZigBee無線電系統/驗證 混合域示波器一手包辦
ZigBee蓬勃發展 IC/模組驗證趨複雜
雖然有眾多以此實體層為基礎的競爭通訊協定，但目前的全球領導協定是ZigBee，其已經發布的標準範圍無所不包，涵蓋範圍大至家庭自動化和智慧能源、零售與電信服務，小至遙控與輸入裝置的應用。ZigBee通訊協定提供網狀的裝置網路，讓大區域範圍內和成千上百的裝置能夠進行溝通。若能夠持續一致的建置，不同來源和廠商提供的ZigBee相容裝置，則可以讓彼此進行通訊。
這些標準的周遭已發展出充滿活力的產業，嵌入式產品只需要獨立的微控制器(MCU)或微處理器(MPU)處理ZigBee軟體和應用，即可提供IEEE 802.15.4低階通訊協定的無線電電路。
另外還有內建微控制器的IC和模組，可執行ZigBee或其他通訊軟體。這些IC和模組有許多具備未占用的(Uncommitted)輸出/輸入(I/O)接腳，因此完整的產品需要的可能不只是模組和感應器，也需要致動器和外殼。此外，模組也可搭配功率放大器和接收器低雜訊前置放大器(LNA)。功率放大器和LNA可大幅增加無線電範圍，但是成本和耗電也會相對提高。
任何一種上述選項，都須要印刷電路測試板驗證IC或模組。也會須要具備足夠峰值功率和不受雜訊影響的電源供應器。若選擇晶片級無線電，也會須要適合的天線介面電路。
在所有類型的嵌入式系統和應用中，ZigBee變得更為常見，工程師須要能夠以快速有效率的方式，驗證與確認ZigBee模組的效能。隨著射頻(RF)的出現，以及必須檢視類比、數位與RF訊號之間的關聯，讓這項系統級的工作變得更加複雜。一種稱為混合域示波器(MDO)的新型示波器，因為內建頻譜分析儀，因此可用來減少進行ZigBee測試工作所需的心力。
ZigBee設計考量因素眾多
由於終端應用的多樣性，且有數千項產品能夠採用ZigBee無線通訊技術，在ZigBee的世界中，並沒有所謂一體適用的設計。不同廠商提供的ZigBee無線電選項，如無線電IC、具備微控制器的完全整合模組、功率放大器、天線到LNA，可具有不同的整合程度。基於此種多元性，了解其中的取捨原則上對設計人員而言非常重要。須要考量到的關鍵因素則包括以下幾個項目。
權衡成本因素
與無線電IC相較之下，主管機關對ZigBee模組的核准時間較長，會使廠商在材料成本與工程設計成本有所取捨。即使是大量生產，模組成本在輔助元件和組裝人力成本方面，仍比無線電IC高出許多。多出的成本部分是用在重複的印刷電路板(PCB)材料上，但大部分是用在抵銷模組的工程設計成本和提供退貨給模組製造商上。不過，設計無線電電路和取得必要核准，可能會耗費大量成本。對於採用IC的設計，成本還要加上通過ZigBee聯盟測試與核准的費用。
估算開發時間
預先通過認證的模組，只要產品就緒即可上市。取得主管機關對IC層級設計的核准，可能只需要一個月的時間，但時間經常會拖得更久。通常這段時間會加到開發流程中，因為產品須要先接近最終外型，而且軟體也須經功能測試，才能開始進行核准測試。
自訂設計彈性空間大
從IC層級設計自訂無線電，可在無線電電路的配置方面提供彈性。使用自訂的設計，在產品的整體配置考量下，無線電可運用模組無法容納的空間。市售的模組通常只將元件置於印刷電路板的一面，如此就能將模組焊接到主電路板上。在自訂設計中，元件可以任何配置放置，也可同時置於電路板的兩面。
通訊協定彈性
許多內建微控制器模組和IC的製造商，並未提供使用ZigBee或其他通訊軟體的原始碼，這讓新增自訂功能的能力嚴重受限。
特殊需求考量
對於某些應用所需要的硬體功能，可能超出內建無線電和微控制器模組或IC所能提供的範圍。雖然隨時都能選擇新增第二個微控制器，但總成本的增加可能會超過所需範圍。在其他情況中，可能須要提供市售產品未具備的功能。例如，美國法規允許最多1瓦(W)的無線電輸出功率，但只有幾種模組具備這項能力。
天線種類與放置位置
市售模組有的在印刷電路板上建有天線，或是天線的印刷圖樣，另一種採用外接式天線的「晶片」天線。如果天線在遮蔽式機殼內，或在最後的封裝設計中，建置位置過於靠近其他元件，模組上的天線效能可能會降低。市場上提供具外接天線接頭的模組。不過，只有使用和模組一起通過認證的天線，才是合法的。如果有理由使用模組廠商未支援的天線，例如需要更高的增益，則須要伴隨成本與主管機關核准的時間。
整合式無線電測試驗證一次到位
一旦確定建置無線電的方式、配置設計適合的印刷電路板，並撰寫任何必要的軟體，就有多項測試須要進行，以確保良好的溝通傳達。
對於大部分應用，無線電系統與產品其他部分將會進行串列通訊。例如，許多IC和模組使用四線的串列周邊介面(SPI)連線，來控制無線電IC與任何相關的元件，功率放大器即是如此。須要使用SPI命令來設定內部暫存器，以選擇頻率通道、輸出功率位準和其他許多操作參數。另外，也可用來控制通用連接埠接腳，以控制功率放大器或其他裝置。另外，也可用來傳送IC或模組的資料封包，並傳送命令來傳輸封包。接收的資料也會透過SPI匯流排傳回。
微控制器中的軟體(無論是內建或獨立式)必須要能提供更高階的通訊協定(ZigBee或其他)並控制送至無線電的功率，以及執行產品的其他功能。在許多的應用當中，無線電傳輸的時序極為關鍵，如此在產品其他耗電元件正在運作，並將電源供應器電壓降低到可接受的程度時，無線電就不會進行傳送。
用來驗證無線電運作的一些重要測試，包括RF和電源供應器量測、數位命令、寄生訊號與干擾。為說明這些測試，將微芯(Microchip)IEEE 802.15.4放大無線電模組(MRF24J40MB)搭配Explorer 16展示電路板使用，再利用具有RF、類比與數位訊號同步時間關聯檢視功能的量測儀器測試。可從個人電腦送出設定與資料命令，以進行手動控制。圖1顯示測試設定。可直接連接至無線電，以協助進行功率與其他量測。校驗過的天線同樣可用來進行RF量測。
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| 圖1 微芯MRF24J40MB與Explorer 16展示電路板的ZigBee無線電模組/測試板與混合域示波器之間的測試連接。 |
RF/電源供應器量測不可少
RF/電源供應器量測不可少
IEEE 802.15.4(包括ZigBee)規定的通道間距為5MHz。20分貝(dB)的通道頻寬應該比通道間距小上許多。圖2中所示的量測占用頻寬，非常符合規格。輸出功率預計處於20毫瓦分貝(dBm)的範圍內。畫面在下半部顯示輸出頻譜，並顯示頻率與功率的直接量測值。此頻率範圍中的測試電纜約有2分貝的衰減，因此功率量測符合預期的範圍。
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| 圖2 此畫面A線條代表頻域顯示相對於B線條時域量測的頻譜時間。 |
畫面上半部底部的B線條表示顯示頻譜軌跡的期間。頻譜時間的計算，是將視窗形狀因數除以解析度頻寬。在本例中，使用預設的Kaiser FFT功能(形狀因數2.23)與11kHz的RBW，頻譜時間約為 200微秒(μs)。將頻譜條移經整個時域視窗，可在封包傳輸時的任意時點進行頻譜擷取與量測。這項擷取會在無線電封包傳送開始後立即建立關聯。
混合域示波器的RF擷取功能，可進行RF訊號的功率與占用頻寬量測。這項功能也會取得RF擷取的時間紀錄，因此可使用數位降頻流程，來產生實數(I)和虛數(Q)資料。每個I和Q的取樣，都代表RF輸入與電流中心頻率的瞬時偏差。利用這項分析，可根據紀錄的資料運算出RF振幅隨時間變化圖。
圖3中，顯示圖4畫面加入RF振幅隨時間變化的新增軌跡，這表示圖5中顯示的電流與電壓量測事件，與RF傳輸的啟動有關。
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| 圖3 功率與占用頻寬量測(使用關聯的RF振幅隨時間變化軌跡)，以及電源供應器電流與汲極電壓量測。 |
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| 圖4 頻譜與量測，將模組電源與電阻串聯，以研究低功率的效能表現。 |
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| 圖5 顯示畫面新增SPI數位訊號(SPI-MOSI/MISO)的封包解碼。 |
圖3的C線條(通道四)顯示模組汲取的電流。在封包傳送期間，汲取的電流量約為200毫安培(mA)(直接量測為174mA)，因此電源供應器的設計必須支援這樣的負載。D線條軌跡(軌跡1)顯示此電流對供電壓的影響。電壓降只有大約70毫伏特(mV)，應該不是問題(直接峰對峰量測值為72毫伏特)。
圖3畫面上半部的E線條軌跡(軌跡A)顯示RF訊號振幅隨時間變化。輸入電流以兩階段上升。在第一個階段，先啟動無線電IC，然後會有延遲，讓頻率合成器在功率放大器啟動前穩定下來。RF功率的上升，正好吻合電流上升的第二階段。啟動期間約為100微秒。
了解電池電量不足或電源供應器電流有限的情況下無線電發送器的效能，經常是必要的，這可了解符合無線電法規效能的容許範圍。在圖6中，將1.5歐姆(Ohm)電阻與模組串聯放置，以模擬電池耗盡的效果。由模組汲取的電流只降低幾毫安培，但電壓降約為230毫伏特。輸出功率降低1分貝，如RF功率量測功能所量測，而鄰近通道雜訊稍微增加，這可從頻譜顯示畫面上看出。振幅隨時間變化(軌跡A)上也可看到輸出降低。
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| 圖6 後續擷取觸發SPI命令，顯示命令與無線電啟動間的延遲。 |
解碼SPI命令 滿足特定應用
無線電IC和模組須要進行設定，以滿足特定應用與任何通訊協定特定設定的操作需求。混合域示波器可對發給ZigBee模組的SPI命令進行解碼。圖5顯示與圖2相同時間訊框中SPI命令的數位擷取，此為解碼功能已啟用，但無法在此時間刻度中讀取。
在此例中，類比、數位與RF擷取功能，已設定對超過130毫安培級以上的軌跡四汲極電流進行觸發。圖5上半部顯示畫面中間左側中的所有時域量測，顯示在RF啟動時電流超過此級之前所發生的事件。這包括數位解碼、類比(電壓和電流)，以及RF對時間。根據這項資訊，可看到數位命令約在RF事件啟動前600微秒發生。
圖5的F線條軌跡顯示解碼資料在時域中的位置。取景和縮放功能可用來讀取數位波形與解碼資料。可讀取或觸發SPI(MISO)上讀回的其他命令和資料，以確認命令的正確性並驗證無線電的運作。
混合域示波器的架構，可簡化SPI命令觸發與相關RF事件之間的量測。在圖6中，觸發事件現在變更為SPI命令37(無線電傳送觸發命令)。時域顯示畫面上的標記，顯示送至電流汲極的SPI命令(在RF傳送剛開始啟動時)現在是1.768毫秒(ms)。
在圖5的前例中，命令至啟動的延遲約為600微秒。圖6中的實際事件約長上三倍。這表示ZigBee無線電的行為，實際上符合IEEE 802.15.4的其中一個實體層效能要求。ZigBee無線電使用命令與啟動事件之間的虛隨機延遲，讓無線電能夠接收其他ZigBee無線電發送器或其他無線電干擾通道。
維持正常運作 避免寄生訊號干擾
確認無線電的正常運作至關重要，以確定沒有造成干擾的寄生訊號。圖7顯示ZigBee運作的頻帶中，沒有明顯的寄生訊號。請注意，在本圖中，模組設定為以2.45GHz頻帶的中心頻率進行傳送。此處的標記功能，是用來量測峰值訊號。隨著解析度頻寬現在設定為100kHz，頻譜時間現在減少為僅些微超過20微秒。
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| 圖7 2.45GHz頻譜的寬掃描可檢視整個ISM頻帶的訊號。 |
在頻譜的其他部分中尋找訊號，也非常重要。例如，下一步是檢視已傳送訊號第二諧波的頻率範圍，在RF傳輸啟動期間，此範圍仍和電流量的觸發位準有關。此例只有第二諧波處有少量訊號，其他頻率則無重大訊號。標記處的第二諧波訊號，約比基本頻率低上35分貝，非常符合此類無線電發送器適用的FCC規範。
對於某些應用，使用天線進行量測，找出可能干擾到正在開發無線電的其他無線電來源，這會很有幫助。在圖8中，搭配混合域示波器使用干擾天線，來找出可能造成干擾的無線電來源。中心對準約2.46MHz的寬頻訊號，是相同建物中的無線區域網路(Wi-Fi)無線基地台。這涵蓋ZigBee無線電可使用的通道數。在本無線電模組的應用中，聰明的做法是避免在本頻率周遭使用通道，因為ZigBee無線電的範圍可能會受到影響，或是無線電完全被擋住。
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| 圖8 顯示無線區域網路干擾訊號，以評估對互通性測試的影響。 |
在此例中，只使用混合域示波器的頻譜分析儀部分，搭配RF觸發功能，擷取感興趣頻帶中的任意訊號。主要的參考標記顯示，這是一個相當強的訊號，並手動標記(a)和(b)提供感興趣來源的頻率範圍讀數。這項干擾的頻率範圍與功率，會讓ZigBee通道17～19無法使用。當然，包括ZigBee的大多數通訊協定，將會進行掃描，找尋像這樣的干擾，並將運作移到乾淨的通道進行。若要手動調整操作通道，可能需要更簡單的通訊協定。
建置ZigBee或其他IEEE 802.15.4無線電有許多的選項。最佳方法的選擇取決於許多因素，包括開發時間、單位成本對工程設計與核可成本，以及特殊要求，例如可用的空間大小、外型體積，以及無線電的特殊電氣需求。
無論選擇哪一種方法，都須要進行眾多的量測，以確保無線電系統正常運作。RF量測包括檢查RF輸出頻率、輸出振幅、占用頻寬與寄生輸出。確認封包時序、電流消耗與任何電源供應雜訊，也相當重要。此外，確認將正確的數位配置資訊傳送至無線電，並接收到正確的資料，也非常地有用。如同示範，混合域示波器具備建立類比、數位與RF訊號時間關聯的能力，因此很適合這項工作，在驗證與確認ZigBee模組時，能為工程師節省時間和心力。
