關于S矢量信號源產生IEEE_802.15.4標準信號的介紹和應用

1 引言
IEEE_802.15.4標準定義了廉價的固定式、便攜式和移動式設備物理層PHY和媒體接入層MAC規(guī)范，在現實世界中，這種技術具有低功耗、低速率、低成本的特點，更適用于工控、醫(yī)療、傳感器等簡單組網應用，有許多種通信協議均基于此標準實現，如ZigBee、RF4CE、6LoWPAN、Wireless HART、SmartLink、THREAD等。

著重介紹使用羅德與施瓦茨（R&S）公司矢量信號源產生標準的IEEE_802.15.4測試信號，包括IEEE_802.15.4的PHY和MAC結構以及使用R&S IEEE_802.15.4 Frame Builder軟件產生信號的方法。該軟件基于EXCEL表格實現，免費使用及編輯，可對產生信號細節(jié)進行靈活配置，并可生成R&S矢量信號源可識別的數據和控制文件。

2 IEEE_802.15.4協議概述

IEEE_802.15.4協議主要定義了PHY和MAC，對于上層的網絡層和應用層等，并沒有具體定義。

2.1 IEEE_802.15.4 PHY
PHY數據服務定義了物理無線信道上發(fā)送和接收數據包的格式和類型，該數據被稱作物理層協議數據單元PPDUS，同時定義了多種不同的工作頻率范圍，在不同的工作頻率范圍下，也定義了多種調制類型和數據速率，如圖1。

圖1 PHY工作頻段和數據傳輸速率

868MHz頻段主要被用于歐洲作為短距通信組網應用，780MHz頻段多用于中國，950MHz則主要應用于日本，2450MHz是被全世界廣泛使用的頻率標準，具有較高的數據速率和高達16路的無線信道。

PHY在設備間通信過程中主要負責如下任務：

激活和取消無線收發(fā)設備

當前信道的能量檢測以及發(fā)送鏈路質量識別

信道頻率選擇和數據收發(fā)

載波多路偵聽的空閑信道預測CSMA/CA

PHY標準數據幀格式PPDU由同步頭SHR、物理層頭PHR和PHY凈荷構成，字節(jié)長度在協議中已定義，如圖2所示。

圖2 PHY-PPDU幀格式

SHR由前導碼和緊隨其后的幀起始分隔符SFD構成，前導碼序列為4 Bytes數據0x00，同時SFD固定設置為0xA7。PHY層服務數據單元PSDU是由MAC幀繼承而來，作為PHY的凈荷， PHR定義了PSDU單元的數據長度。最高位被設置為0，其余7個字節(jié)可以表征的數據長度最大數值為127位。最終編碼生成的二進制PPDU數據會通過符號映射后直接擴頻為碼片數據，之后通過O-QPSK映射，其具體流程如圖3。

圖3 O-QPSK PHY擴頻和調制映射

PHY數據的O-QPSK調制處理過程，首先將數據單元的二進制數據中每四位轉換為一個符號，然后將每個符號擴頻轉換為長度為32的碼片序列，用符號查找對應16個近似正交的偽隨機映射表，映射完成之后的碼片數據，依次交替的分為IQ數據流，通過half-sine濾波器成形形成調制符號。

2.2 IEEE_802.15.4 MAC

MAC形成了在PHY和更高應用層之間的接口，如ZigBee的網絡層。該層的MAC數據服務可以通過幀的形式接收和發(fā)送，該幀的名稱為MAC協議數據單元MPDUS，也就是對應傳遞至PHY幀結構中的PSDU。

MAC幀結構的設計是以用最低復雜度實現在多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數據傳輸為目標的。每個MAC幀都包含幀頭MHR、MAC凈荷MAC Payload和幀尾MFR三部分。MHR部分由幀控制信息FCF、幀序列號SN和地址信息組成。MAC的凈荷部分長度可變，凈荷的具體內容由幀類型決定。幀尾部分是幀頭和凈荷數據的16位CRC校驗序列FCS。IEEE_802.15.4協議共定義了四種類型的幀，信標幀、數據幀、確認幀和MAC命令幀。這些幀格式會有區(qū)別，通用的MAC幀結構如圖4所示。

圖4 MAC MPDU幀結構

FCF區(qū)域中包含了幀類型、地址信息、以及其他控制標識，該部分長度為2 Bytes。

只有廣播幀和數據幀包含了高層控制命令或者數據，確認幀和MAC命令幀則用于設備間MAC子層功能實體間控制信息的收發(fā)。廣播幀和確認幀不需要接收方的確認，數據幀和MAC命令幀的幀頭FCF指示收到的幀是否需要確認，如果需要確認，并且已經通過了CRC教研，接收方將立即發(fā)送確認幀，若發(fā)送設備在一定時間內收不到確認幀，將自動進行重傳。

3 R&S針對IEEE_802.15.4幀及信號波形產生方法

R&S提供了IEEE_802.15.4數據幀產生軟件，該軟件基于EXCEL表格，簡單易用。

可方便對PHY和MAC參數進行設置，同時，該幀結構基于O-QPSK調制方式?？蓪θ缦聟颠M行設置：

MAC幀頭設置及凈荷數據

幀校驗碼自動計算和同步頭定義

符號至碼片映射及數據生成導出

生成R&S矢量信號源支持的數據和控制文件

圖形化顯示幀結構等

3.1 IEEE_802.15.4 Frame Builder軟件生成基帶數據

軟件基于VBA代碼，需要在EXCEL中使能該功能。

圖5 R&S IEEE_802.15.4 Frame Builder軟件界面

軟件界面中顯示了IEEE_802.15.4基本幀結構，指引使用者了解每部分具體設置作用及定義，即幀結構中各個部分的具體設置項目，可針對實際測試需求生成各部分幀定義。

FCF區(qū)域控制信息及幀類型設置。

MAC幀頭中其他數據位設置，包括幀序列號，地址信息等。

導入數據載荷，可通過手動輸入或ASCII十六進制文本文件導入，數據格式為16進制，導入完成后，軟件會自動計算校驗碼并計算出最終得到的MPDU幀數據。

MAC層數據生成后，會自動計算幀長度，前導碼和SFD幀分隔符也為固定值，生成最終的PHY層幀數據。

軟件會自動將生成的數據擴頻至碼片數據，可設置幀與幀間的閑置符號。

3.2 IEEE_802.15.4測試波形產生

配置有實時基帶發(fā)生器的R&S矢量信號源都能夠實時產生調制數字信號，同時均可產生通用標準（如LTE）的數字調制信號。使用實時自定義數字調制產生測試波形的流程框圖見下圖6。

圖6 自定義數字調制波形產生

將軟件生成的標準Datalist文件導入至信號發(fā)生器的基帶發(fā)生器中。802.15.4協議未規(guī)定任何的碼片編碼，所以無需定義任意形式的編碼方式。

802.15.4協議以O-QPSK調制映射方式未在矢量信號源中進行定義，可采用導入自定義調制映射文件的方式進行設置，軟件中映射文件“15.4-OQPSK.vam”可直接使用，如需自定義產生各種調制映射文件，可使用R&S公司的MATLAB應用工具MapWiz。

需要載入half-sine脈沖成形濾波器至矢量信號發(fā)生器中，Frame Builder軟件中自帶的濾波器文件“15.4-halfsine.vaf”也可直接被使用，如需自定義產生各種成形濾波器文件，可使用R&S公司的MATLAB應用工具FizWiz。

亦可使用計算機軟件產生測試波形，采用矢量信號發(fā)生器內部的ARB發(fā)生器的方法，R&S公司提供了免費的信號生成和處理軟件WinIQSim2操作簡單直觀，在ARB模式下，所有波形計算和處理都在計算機側完成，矢量信號發(fā)生器只將計算好的波形播放。直接將生成的波形可通過網線傳輸至R&S矢量信號源，在WinIQSim2軟件中也可以對生成信號的時域和頻域波形進行預覽，預判生成的信號是否正確使用。ARB模式生成和播放波形的具體流程如下圖7所示：

圖7 ARB模式波形產生

將軟件中生成的波形文件導入矢量信號源的ARB內存。

通過ARB發(fā)生器讀取波形文件中的IQ數據和采樣率，將其轉變?yōu)榛鶐盘?，之后通過采樣和上變頻調制后發(fā)出。

4 小結

R&S公司關于IEEE_802.15.4協議標準數字信號產生的方法和應用軟件，經過實際驗證，具備完全的可操作性，可以為運營商、無線數據設備廠商生成參考測試文件，也可在開發(fā)階段進行任意形式的自定義驗證。

羅德與施瓦茨公司自成立至今的七十多年間，一直致力于為無線電通信提供高性能的測試和測量儀器。請訪問羅德與施瓦茨公司中文網站：www.rohde-schwarz.com.cn或就近聯系羅德與施瓦茨公司各地的代表處，我們將為您提供符合您需要的測試方案和儀器。