集成ZigBee无线电设计、检定和验证

图1。Microchip Technologies MRF24J40MB与Explorer 16演示板ZigBee无线电模块/测试板和混合域示波器之间的测试连接。

射频和电源测量
IEEE 802.15.4（包括ZigBee）标准的信道频率间隔为5 Mhz。20dB信道带宽应当显著小于信道频率间隔。图2所示的2.3 MHz测得被占用带宽完全符合该规格。输出功率大致在20 dBm以内。屏幕显示了输出频谱（屏幕下方）以及带宽和电源的直接测量结果。在此频率范围内，测试电缆衰减约为2 dB，所以电源测量结果在预期范围之内。

图2。在该图中，橙色条代表频域显示相对于时域测量结果的频谱时间。

屏幕上半部底部的橙色条代表频谱迹线的显示时限。频谱时间定义为窗口成形因子除以分辨率宽度的结果。在本例中，使用默认的Kaiser FFT函数（成形因子2.23）和11 kHz的分辨率带宽，频谱时间计算结果约为200 μs。在时域窗口上移动频谱可取得数据包发射期间任何时刻的频谱和测量结果。该采集仅在开启无线电数据包发射后相关。
混合域示波器的射频采集可执行射频信号的功率和被占用带宽测量。由于它也采集射频采集的时间记录，所以可用一个数字降压转换过程来产生I（真实）和Q（假想）数据。每个I和Q数据样点代表射频输入与电流中心频率的偏差。利用该分析可从所记录的数据来计算射频幅度-时间迹线。
图3显示了被添加到图4显示内容的附加射频幅度-时间迹线。这证明了图5中的电流和电压测量事件与射频发射的开启相关。

图3。功率和被占用带宽的测量结果，包括相关的射频幅度-时间，以及电源电流和漏极电压的测量结果。

绿色迹线（迹线4）显示了模块的消耗电流。在数据包传输期间，该消耗电流几近200 mA（请注意 174 mA的直接测量结果），所以必须设计电源来支持该负载。黄色迹线（迹线1）显示了该电流对电源的影响。压降只有70 mV左右，这一水平应当是优异的（请注意72 mV的直接峰-峰测量结果）。
屏幕上面部分的橙色迹线（迹线A）显示了射频信号幅度-时间关系。输入电流分两步上升。在第一步中，射频集成电路被开启。然后有一个时延来让频率合成器在功率放大器开启前稳定下来。射频功率的上升与第二步电流上升吻合。开启时间约为100 μs。

常常需要在低电池条件或电源电流限制条件期间了解无线电发射器的性能，以便了解无线电合规性能的余量。在图6中，一个1.5Ω的电阻器被与模块串联起来，以模拟电量已快耗尽的电池的效应。该模块消耗的电流只低几个毫安，但压降为230 mV左右。根据射频功率测量，输出功率减少了1 dB，且相邻信道的噪声有轻微增加，如频谱显示中所见。从振幅-时间迹线（迹线A）中也可看出这一较低的输出功率。

图4。通过将电阻与模块电源串联来研究低功率性能行为的频谱和测量结果。

数字命令
需要设置无线电集成电路和模块来满足具体应用和任何针对特定协议的设置的操作要求。混合域示波器允许解码对ZigBee模块的SPI命令。图5显示了SPI命令的数字捕获结果，时间范围与图2的时间范围相同。解码功能被启用，但在此时间范围内不可读。

图5。SPI数字信号（SPI - MOSI和MISO）的数据包解码被添加到显示中。

在本例中，模拟、数字和射频采集的触发条件为迹线4的漏极电流高于130 mA。中心左侧上方显示中的所有时域测量结果显示了在射频开启时在电流超出该水平前的事件。其中包括数字解码、模拟（电压和电流）及射频-时间关系。从这些信息可以看出，数字命令出现在射频事件发生前约600 ms时。
紫色迹线显示了被解码数据在时域中的位置。可使用平移和缩放功能来读取数字波形和被解码的数据。可读取或触发SPI（MISO）上的回读命令和数据，以确认命令正确和验证无线电的操作。
混合域示波器架构简化了SPI命令触发和相关射频事件间的测量。在图6中，触发事件现在变为SPI命令{37} --无线电发射触发命令。时域显示上的标记显示了SPI命令至电流引出（在射频发射器开启之初）现在为1.768 ms。

图6。随后基于SPI命令的触发显示了命令和无线电开启开间的时延。

在前面图5中的例子中，命令至开启时延约为600 μs。图6中的实际事件时间长近三倍。这证明ZigBee无线电的行为在实际上符合IEEE 802.15.4的物理层性能要求之一。ZigBee无线电使用命令和开启事件之间的伪随机时延来启用无线电，以侦听其他ZigBee无线电发射器或其他无线电干扰信道。

寄存信号
在确认无线电的操作时，确保没有会导致干扰的寄存信号非常重要。图7显示在ZigBee工作频带中没有显著的寄存信号。请注意，此图的相关模块的发射频率设置为2.45 GHz频带的中心频率。标