集成ZigBee无线电设计、检定和验证一体解决方案

集成式无线电的测试验证
在无线电的实现方案已定、相应的印刷电板板布局已定以及任何必需的软件编写完成之后，还需要进行大量测试来确保通信状况良好。

对大多数应用来说，无线电系统和产品的其他零件之间存在串行通信。例如，许多集成电路和模块使用四线串行外设接口（SPI）连接来控制无线电集成电路及相关元件，如功率放大器。为了选择频率信道、输出功率等级和其他许多参数，需要通过SPI命令来设置内部寄存器。SPI用于控制用来控制功率放大器或其他器件的通用端口引脚。SPI还用于将数据包发送到集成电路或模块，以及发送用于来传输数据包的命令。收到的数据也通过SPI总线来传输。

微控制器中的软件（无论集成或独立）需要提供最高等级的协议（ZigBee或其他）以及控制无线电的功率，并运行产品的其他方面。在许多应用中，无线电信号发射的时机非常重要，以致无线电在产品的一些其他耗电零件在运行中并使电源电压降至可接受水平以下时不会发射信号。

用于验证无线电操作的部分关键测试包括射频和电源测量、数字命令、寄生信号和干扰。为举例说明这些测试，我们把Microchip Technologies IEEE 802.15.4放大无线电模块（MRF24J40MB）与Explorer 16演示板搭配使用。屏幕截图来自泰克MDO4000系列混合域示波器--全球首款提供射频、模拟和数字信号的同时时间相关视图的示波器。设置和数据命令通过个人电脑来发送，以支持手动控制。图1显示了测试设置。一个对无线电设备的直接连接被用于简化功率和其他测量。也可以使用一个经过校准的天线来进行射频测量。


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。