摘 要：　高精度激光测距技术在现代社会生产中的应用非常的广泛，主要的介绍激光脉冲测距技术的原理，分析影响脉冲激光测距的主要原因，以及针对原因给出解决的措施，介绍提高测量精度的几个方法及其工作原理。关键词：　高精度激光脉冲；测距；技术分析中图分类号：TN247 文献标识码：A 文章编号：（8－02脉冲式激光测距具有结构简单、无需目标合作、测量速度快和测量距离远等优点，这使其在航天和军事以及工业生产领域都得到了广泛的利用。提高激光脉冲测距技术的精度，是急需解决的问题。1　高精度激光脉冲测距技术的原理第一台脉冲式激光测距仪诞生于上世纪60年代，现在，激光脉冲测距技术以得到迅速的发展并有了大量成熟的应用。其发展的趋势包括小型化测距仪和人眼安全激光测距仪等。脉冲激光测距技术是通过测量脉冲的飞行时间来测量其与目标之间的距离的。具体的说，就是激光测距仪向着目标发射一个激光脉冲，激光脉冲经目标反射后有测绘仪器的回波接收通道接收，并计算出激光脉冲从发射到返回测距仪所消耗的时间。这样，测距仪与目标之间的距离D就可以通过所得的数据来计算求得，即：D=CT/2其中，C是激光在介质中的传播速度，T被称作飞行时间。2　高精度激光脉冲测距技术的设计高精度脉冲激光测距系统主要是由信号发射模块、接收模块和信号处模块三大部分组成。发射模块由驱动电路、调制电路以及激光管三部分组成，大多数的激光管选用是是具有内置驱动装置的脉冲激光二极管。发射模块实现根据需要对激光脉冲进行周期性的脉冲信号处理调制，然后利用激光二极管对其进行发射。接收模块由前置的放大电路、光电探测仪和主放大电路三部分组成，光电探测仪器采用的是光电二极管APD。接收模块的主要作用是接收反射回的激光信号并将其转化为电信号，除去噪音的影响然后进行放大，最后计算出需要的激光回波脉冲。信号处理模块是对仪器采集的数据进行计算和分析最后给出计算的结果的模块。信号处理模块主要包括采样模块、存储芯片和信号处理模块三个部分。信号处理芯片是处理模块的核心，它能够接受和迅速的处理大量数据，信号处理要求芯片有较高的质量，当下多采用的是DSP这款性能较好的芯片。系统的工作流程是这样的：由发射模块产生固定频率的周期脉冲激光信号，触发激光脉冲二极管发射激光，脉冲激光信号到达测距目标后被测距目标被反射，返回的激光由接收系统进行接收，采集模块将接收到的信号转换为数字信号后储存到存储模块中，DSP读取存储模块中的数据然后对数据进行分析和处理，计算出回波信号到达时刻，最终计算出测试目标与测距仪之间的距离。3　影响激光脉冲测距仪器精度的原因3.1　系统误差脉冲式激光测距仪的系统误差主要来自于固定延时器的误差和距离行走的误差。固定延时器的误差是指由于脉冲信号在系统中传播所消耗的时间对测距的精确的影响，它与测距的距离无关。距离行走误差则是指由于回波信号的幅度变化所引起的误差，测绘仪与目标之间距离和反射率上的变化往往会造成回路接收器接受到的回波的能量的变化，从而导致回波信号的幅度有所变化。在鉴别阀值一定的情况下，回波信号幅度的变化会引起其通过阀值的时间发生改变，从而导致测距结果的误差。系统误差可以通过地面标定的方式来进行调节，尽量的将系统误差调整为最小使其不影响激光脉冲测距的准确性。3.2　随机误差激光脉冲测距仪的主要误差既是来自于随机误差，随机误差包括脉冲时刻鉴别误差和时间间隔测量误差和阀值鉴别芯片的输出抖动误差，是影响激光脉冲测距精度的主要原因。3.2.1　脉冲时刻鉴别精度由脉冲激光测距技术的公式可知，计算式中只有T是一个变量，由时刻鉴别系统测定，所以，时刻鉴别系统是脉冲激光测距系统的极为重要的组成部分，因此其测量的精度直接决定了整个测距仪器的精度。如果难以保证时刻鉴别的精度，即不能精确的确定激光飞行开始和结束的时间，就无法进一步计算时间间隔和飞行时间，脉冲激光测距的结果难以保证。回波幅度不稳定是对时刻鉴别精度影响较大的一个因素。在激光脉冲测距中，大气湍流、跟瞄抖动和目标姿态的变化都会引起回波信号在小范围内的幅度变化。以目标姿态变化带来的影响为例，当测距对象的倾角产生较大的变化时，就会引起回波幅度的变化。因为脉冲激光上升的时间是有限的，当激光脉冲测距仪器采用固定阀值来采集回波信号时，不稳定的回波的幅度导致回波到达固定阀值的时刻也不统一，从而产生△t误差，对测量的精度造成很大的影响。要减小这个误差，要进行连个方面的改进，一方面是减少采用固定的阀值来进行时刻的鉴别，一方面是是要尽量的稳定回波脉冲信号的幅度。3.2.2　时间间隔精度因素时间间隔测量系统也是激光脉冲测距技术的一个重要的组成部分，当确定了激光发出和回收的两个时间，计算两个时间之间的T就决定了距离D的准确测试。在以确定时刻鉴别系统精度的情况下，时间间隔的精度就成为直接影响测距仪精度的因素。时间间隔测量准确性的影响因素主要有三个，分别是数量化误差、计数器时钟误差、计晶体振荡器的频率误差。对于脉冲信号时间间隔的测量，测量系统采用的是直接计数法来进行的。提高计数时钟的频率是提高测量精度的有效方法，但测距系统电路的工作频率并不能无限提高，受到分布参数效应等因素的作用，电路一般只能达到纳秒级的精度，若追求更高的时钟频率，其精度就难以保证。计数量化误差是指，当鉴别系统以发出和接收激光脉冲的时间来启动和结束计数器的计数时，由于发射脉冲和接收脉冲的时间不可能与计数时钟的时间完全同步，飞行时间的始末端计数器之间存在着随机的时间误差，我们称之为计数量化误差。晶体振荡器频率稳定性对时间间隔测量的影响，是由于计数器的时钟的疲劳是以晶体振荡器的频率为基准的，如果这个基准频率不稳定，就会导致计数结果的不准确，影响测量时间间隔的精度。3.2.3　时刻鉴别抖动误差时刻鉴别抖动误差的产生是由于测试仪器在接收回波信号的时候，回波脉冲信号叠加了噪音引起的。当激光脉冲测距仪采用前沿鉴别的方式进行时刻的鉴别时，脉冲的上升以及噪音的叠加会使其穿过比较阀值的时刻发生变化，由此产生时间的抖动带来测量的误差。时刻鉴别抖动误差受到接收通道的信噪比和信号性、上升的时间的影响较大。4　提高激光脉冲测距技术精度的方法4.1　提高脉冲激光测距时刻鉴别的精度的方法接收系统的线路改进：接收系统主要包括光电探测器、前置的放大器、主放大器和整形电路。要提高接收系统的精度，主要需要对放大器和整形电路进行改进。固定增益主放大器和可变阀值整形电路组合。当测距目标回波信号的幅度值偏小时，整形电路通过可变阀值把阀值自动调小；当回波信号的幅度值偏大时，固定增益的主放大器对信号进行放大后幅度依然偏大，整形电路可变阀值在这种情况下把阀值自动调大。结果就是相互作用使得鉴别的定时点保持基本不变，消除回波信号的幅度不稳定所引起的时刻鉴别系统的误差。可变增益主放大器和固定阀值的整形回路整合。当回波信号的幅度偏大时，主放大器的可变增益功能把增益自动调小。当回波信号的幅度值偏小时，主放大器通过可变增益把增益自动调大。这样作用的结果使得主放大器输出的信号的幅度值基本保持不变，可以只需经过固定阀值的整形电路就可以准确的鉴别出回波的定时点，消除回波幅度变化对时刻鉴别的影响。对数主放大器与固定阀值整形电路的组合。对数放大器的特殊作用可以实现对较弱的信号进行大倍数的放大以及对较强的信号进行小倍数放大，其结果是放大后的信号幅度值相对的保持稳定，由于它直接对信号幅度进行作用和控制，没有反馈过程，因此大大提高了处理速度和激光脉冲测距的精度。4.2　DPSS系统回波信号的幅度不稳引起的时刻鉴别误差随着脉冲上升时间的增大而增大，两者是正比例的关系。所以，减小脉冲上升的时间可以有效的减小这项误差。当前，半导体激光器一般可发射宽度为几十纳秒的脉冲，脉冲上升时间一般为几十纳秒，这一时间所引起的时间鉴别误差还是很大的，可以进一步的减小。提高系统的发射驱动技术以减小脉冲上升的时间，目前较为准确的方法是采用DPSS技术。该技术可以通过将激光器的发射脉冲宽度控制在10纳秒以下来实现使脉冲上升的时间控制在几纳秒以内，最终大大减小由于回波信号的幅度变化大对测距带来的误差，有效的提高脉冲激光测距系统时刻鉴别的精度。5　总结随着激光脉冲测距技术在军事、工业、工程建筑和大地测量等方面越来越广泛的运用，如何克服系统误差，提高测距的精度尤为重要。影响激光脉冲测距技术精度的因素众多，不断地改善技术提高精度，才能发挥激光测距在更多领域的作用。参考文献：[1]陈弈、郭颖、杨俊、黄庚华、舒嵘，脉冲式高精度激光测距技术研究[J].红外，2010（06）.[2]黄钊，脉冲激光测距高精度关键技术研究[D].南京理工大学，2012.[3]朱福、林一楠，　一种提高脉冲激光测距精度的方法[J].光电技术应用，2011（02）.
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2016年微型机与应用第21期
作者：千承辉，张希明，徐丹琳，陈钰佳，易晓峰
　　千承辉，张希明，徐丹琳，陈钰佳，易晓峰　　（吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130012）& & & &摘要：针对现有无线传感器网络定位系统精度不高的问题，采用基于校正模型的实现人员定位。通过研究无线通信技术，分析无线电传播路径损耗模型，结合实验测试得到RSSI测距模型。引入模型和修正测距值，在三边测量法的基础上结合质心定位思想，以三圆相交部分的质心作为盲节点的估算位置。经试验测试，该系统的定位误差小于10 %，有效地降低了环境引起的盲节点位置误差，提高了定位精度。　　关键词：三边测距质心定位算法；高斯滤波；自校正模型；ZigBee；RSSI0引言　　无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是一种分布式传感网络，由节点、网关和软件三部分组成，能够实现大范围、低成本、灵活铺设的实时数据采集［1］。目前已有的大多数WSN仅限于采集光强、温度、湿度、压力等标量数据［2］。在WSN的许多应用场合诸如环境监测、目标监视以及安全监控等，传感器节点的位置信息十分重要，很多其他的服务都是基于位置的，信息要和位置捆绑在一起才有意义。在不增加成本投入的前提下，利用WSN的自身特点，完成节点定位功能具有广阔的发展空间和重要的应用研究价值。　　本文利用近年新兴的短距离、低功耗、低成本的ZigBee无线通信技术组建无线传感网络，采用基于校正模型的三边测距质心定位算法实现人员定位系统的设计。1算法模型　　三边测距质心定位算法由测距过程、定位过程和修正过程三部分组成。具体描述如下：　　（1)利用RSSI模型获取无线网络中盲节点与信标节点的间距；　　（2)由定位模型得到盲节点的位置信息；　　（3)对测距模型和定位模型进行修正，减小定位误差。　　1.1RSSI测距模型　　RSSI是接收信号强度指示值。公式(1)表示信号的发射功率与接收功率之间的关系，PT是信号的发射功率，PR是信号的接收功率，d是收发芯片的距离，n是传播路径衰减因子，由当前无线电传播环境决定［3］。　　　　　　　　PR_1是收发芯片相距1 m时的接收功率，由公式（3）可看出收发芯片的间距与RSSI值的关系由1 m处的接收功率和传播路径衰减因子决定。在传播过程中，各种媒质对无线电信号的干扰越小，基于RSSI的测距就会越精准。　　1.2三边测距质心定位模型　　三边测距质心定位算法是在三边测量定位算法的基础上引入质心算法的思想［4］，解决了三边测量定位算法中方程组无解的问题，使得估算出的节点坐标值更加准确。　　1.2.1三边测量法　　如图1所示，设D点坐标是(x,y)，A、B、C三点的坐标分别为(xa,ya)、(xb,yb)、(xc，yc),它们到D点的距离分别是da、db和dc。　　根据以上信息可得下列方程组，联立可求得D点坐标。　　　　　　　　1.2.2质心算法　　质心算法是一种基于WSN连通性的室外定位算法，由美国南加州大学的布鲁斯等人提出：以定位节点通信范围内的所有参考节点几何质心作为其估算位置［5］。假设其监听到的与之连通的信标节点的坐标分别为（x1,y1）、（x2,y2）、(x3,y3)、(x4,y4)、（x5,y5)，则其质心坐标为:　　　　1.2.3三边测距质心定位算法　　在实际定位过程中,由于测距带来的误差常得到如图2所示的情况［6］。　　根据公式(4)、(5)、(6)可分别求得圆A与圆C的交点(xac1,yac1)、(xac2,yac2)，圆A与圆B的交点(xab1,yab1)、(xab2,yab2)，圆B与圆C的交点(xbc1,ybc1)、(xbc2,ybc2)。　　分别将两圆的交点及第三圆圆心坐标代入公式（7），判断距离值，找出两点中靠近第三圆圆心的点。如图2所示，判断可得离圆A、圆B和圆C圆心较近的点分别为(xbc1,ybc1)、(xac1,yac1)和(xab1,yab1)。依据质心思想，以三圆相交部分的质心作为盲节点的估算位置，由公式(8)计算盲节点的坐标值。　　　　　　1.3三边测距校正模型　　在定位系统的实际应用中，由于环境因素的干扰，会导致RSSI值不稳定，在不同的环境下电磁波传播路径衰减因子也会发生变化。针对这些问题，本文提出高斯校正模型和信标节点自校正模型修正定位结果，以提高定位精度。　　1.3.1高斯校正模型　　信号在传输过程中受突发事件干扰是小概率事件，此时RSSI值与正常值偏差较大，对测距的影响较大。通过高斯滤波选择概率较高的RSSI值之后再取其平均值［7］，可以降低环境扰动对测距值的影响，减小定位误差。具体校正流程如图3所示。　　& &&　　　　1.3.2信标节点自校正模型　　系统中信标节点的位置信息是已知的，利用信标节点相互通信，分别记录对应的发射功率、接收功率和收发芯片的间距，由公式（1）可求得传播路径衰减因子n值。将测量得到的n值作为当前环境下传播路径衰减因子，提高系统的自适应性。校正流程如图4所示。2算法实现　　算法的实现分为组建无线传感网络、测距、修正和定位4个步骤。考虑到实际定位系统对功耗、成本的要求，系统采用ZigBee技术搭建无线传感网络，设计与实现人员定位系统。算法的具体实现流程如图5所示。　　2.1无线传感网络的组建　　ZigBee无线传感网络中有协调器、路由器和终端3种功能节点。协调器负责网络的组建，路由器负责网络内信息帧的路由，终端节点负责具体功能的实现［8］。　　系统中信标节点由已知位置信息的路由器节点充当，其数量和密度决定了定位精度。盲节点由终端节点充当，绑定在人员身上，每隔固定时间在网络中广播自身的ID信息。　　2.2信标节点自校正过程　　在组建好的网络中将所有信标节点加入同一组内，选定其中一个信标节点执行图4所示的校正过程，得到当前环境下的传播路径衰减因子n。　　2.3测距过程　　(1)盲节点广播自身身份标识及网络地址；　　(2)信标节点收到上述广播信息帧后返回自身的坐标信息、网络地址作为应答；　　(3)盲节点接收应答信息，统计可直接与自身通信的信标节点；　　(4)盲节点依次与符合条件的信标节点点对点通信，记录RSSI值和相对应信标节点的坐标并上传至上位机；　　(5)上位机利用高斯滤波模型对上述步骤记录的几组RSSI值做滤波处理，之后由测距模型转换为盲节点与众多信标节点的间距。　　2.4定位过程　　上位机采集盲节点与在其通信范围内的信标节点之间的距离并选取其中距离较短的三点。利用三边测距质心定位模型，由式（4）~（8）可得盲节点坐标值。3实验测试　　实验采用TI公司的CC2530射频收发芯片搭建无线通信平台。该芯片兼容IEEE802.15.4规范，结合了德州仪器的ZigBee协议栈（Z?StackTM），实测可靠通信距离在30 m以上。实验中设计了1个协调器节点、4个信标节点、1个盲节点和1个简单的上位机监测系统。协调器负责网络的组建，与PC通过有线的方式连接，将网络中的数据实时发送给上位机。上位机对收集到的数据分析处理后计算出盲节点的坐标存储并显示。实验分为以下两部分：　　3.1对RSSI测距校正模型效果的验证　　实验选定两个节点进行点对点通信，测试不同校正模型的测距误差。在0~10 m的范围内每隔0.5 m选定一个测试点，采用不同的校正算法：　　①不使用校正模型；　　②采用高斯校正模型；　　③采用信标节点自校正模型修正传播路径衰减因子后使用高斯校正模型。　　三种模型的测距效果如图6所示。可见使用信标节点自校正模型修正传播路径衰减因子之后再采用高斯校正模型的效果明显优于其余两种。　　3.2定位效果综合检测　　将4个信标节点分别放置在边长为2.5 m的菱形顶点处，盲节点在菱形范围内移动，分析采用校正模型后的系统定位精度，测试结果如图7、表1所示。　　图7是盲节点的实际移动曲线和测试结果对比图。分析表1中具体数据可以得出，系统在X方向的最大定位误差为20 cm，约为定位范围边长的8%；在Y方向上最大定位误差为9 cm,约为定位范围边长的3.6%。从测试结果来看，系统的定位误差较小，可满足大多应用场合对定位精度的需求。4结论　　本文在三边测距质心定位算法的基础上引入高斯校正模型和信标节点自校正模型实现人员定位。通过高斯滤波模型避免了在测距过程中一些小概率事件的干扰，利用信标节点自校正模型修正传播路径衰减因子，减小环境对系统定位精度的影响。　　经试验测试，系统的定位误差小于10 %，有效地降低了环境引起的盲节点位置误差，提高了定位精度。在后续的研究中可以结合CC2591功率放大芯片提高CC2530芯片的收发灵敏度，进一步扩展定位范围，使系统更具有实用价值。　　参考文献　　［1］ 柴淑娟，赵建平.基于无线传感网络的水质监测系统的研究［J］.曲阜师范大学学报(自然科学版)，):214 224.　　［2］ 李顺辉.无线传感网络测量中的数据分发和时间同步研究［D］.长沙：湖南大学，2009.　　［3］ 方震，赵湛，郭鹏，等.基于RSSI测距分析［J］.传感技术学报，）：.　　［4］ 高雷,郑相全,张鸿.无线传感器网络中一种基于三边测量法和质心算法的节点定位算法［J］.重庆工学院学报,):139 141.　　［5］ 刘京，宋家友.无线传感器网络中基于RSSI的质心定位算法的改进［J］.计算机光盘软件与应用，2012（7）：33 34.　　［6］ 林玮，陈传峰.基于RSSI的无线传感网络三角形质心定位算法［J］.现代电子技术,）:180 182.　　［7］ 朱明辉，张会清.基于RSSI的室内测距模型的研究［J］.传感器与微系统，）:19 22.　　［8］ SAEID S,ABBAS T,JOSEP S.Spectrum sensing using correlated receiving multiple antennas in cognitive radios［J］ .IEEE Transactions on Wireless Communications, ):.　　
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ZigBee系统结构与射频性能分析及射频测试方法
来源：互联网 作者：佚名日 10:30
[导读] 　ZigBee 技术是一种具有统一标准的短距离无线通信技术。其命名来自于人们对蜜蜂采蜜过程中跳“Z”字舞的观察。蜜蜂体积小，所需能量小，又能传送采集的花粉，因此人们用 ZigBee 代表成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术。本文对ZigBee 网络的结构进行了介绍，对ZigBee射频性能进行了分析，并对ZigBee射频测试的方法进行了讨论。
　　ZigBee 技术是一种具有统一标准的短距离无线通信技术。其命名来自于人们对蜜蜂采蜜过程中跳&Z&字舞的观察。蜜蜂体积小，所需能量小，又能传送采集的花粉，因此人们用 ZigBee 代表成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术。本文对ZigBee 网络的结构进行了介绍，对ZigBee射频性能进行了分析，并对ZigBee射频测试的方法进行了讨论。
　　1 引言
　　ZigBee 作为将对21 世纪产生巨大影响的新技术之一，与传统网络相比，无线传感器网络是一种以数据为中心的自组织无线网络，具有可快速临时组网、网络拓扑结构可动态变化、抗毁性强、无需架设网络基础设施等特点。基于这些特点，ZigBee 被广泛应用于军事、环境监测、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索，以及机场、大型工业园区的安全检测等领域。环境监测是无线传感器网络应用的一个方面，传感器网络在环境监测领域具有非常明显的优势，可以为实现更加准确、数据量更大、对环境影响更小的环境监测提供一个全新的手段。
　　ZigBee 技术以其低成本、低功耗、网络容量大、传输时延短和可靠性高等特点，在环境监测、智能家居、楼宇自动化、工业控制等领域得到广泛应用。
　　2 ZigBee技术特点及其网络结构
　　（1）ZigBee的技术特点
　　●低功耗：由于ZigBee 的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee 设备非常省电。据估算，ZigBee 设备仅靠两节5 号电池就可以维持长达2 年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。
　　●成本低：ZigBee 模块的初始成本在6 美元左右，估计很快就能降到1.5~2.5 美元，并且ZigBee 协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
　　●时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此，ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。
　　●网络容量大：一个星型结构的ZigBee 网络最多可以容纳254 个从设备和一个主设备，而且网络组成灵活。
　　●可靠：采取了碰撞避免策略（CSMA-CA），同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。
　　●安全：ZigBee 提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128 的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。
　　（2）ZigBee网络中的设备和网络拓扑结构
　　按设备的功能强弱划分为全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。
　　●全功能设备有更多的存储器、计算能力，具有全部802.15.4 功能和所有特性。有控制器的功能，可提供信息双向传输。
　　●精简功能设备仅附带有限的功能来控制成本和复杂性，只作为终端设备使用，使用小内存、小协议栈，实现简单。
　　按设备在网络中的作用划分为Zig-Bee 协调器、ZigBee 路由器和ZigBee 终端设备。
　　●ZigBee 协调器处于网络顶层，它总是处于工作状态，有稳定可靠的电源供给。包含所有的网络信息，是3 种设备中最复杂的一种，存储容量大、计算能力强。能发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息等。它们只能由FFD承担。
　　●ZigBee 路由器必须具备数据的存储和转发能力及路由发现能力。除完成应用任务外，还必须支持其子设备的连接、路由表的维护等。它们只能由FFD承担。
　　●ZigBee 终端设备结构和功能最简单，用电池供电，大部分时间处于睡眠状态，最大程度地节约电能，延长电池寿命。可以由FFD 承担，但主要还是由RFD承担。
　　IEEE 802.15.4/ZigBee 协议中明确定义了3 种拓扑结构，即星型结构（Star）、簇树结构（ClusterTree）和网状结构（Mesh），具体参见图1。
　　图1 几种基本的网络模型
　　在星状拓扑中，网络由一个协调器控制。协调器要负责初始化并维护网络以及网络中的所有其他设备，这些设备均作为终端设备直接与协调器通信。在Mesh 或簇树网络中，协调器负责启动网络并设置某些关键参数，但是网络可以通过路由器进行扩展。在簇树网络中，路由器采用分级路由策略传送数据和控制信息。树状网络通常使用基于信标的通信模式。Mesh网络允许完全的点对点通信，在Mesh 网络中路由器不会发送常规IEEE802.15.4 信标。
　　3 ZigBee射频测试主要内容及分析
　　ZigBee 的测试规范主要依据IEEE 802.15.4 标准对整机性能进行测试。整机性能测试包括发射机和接收机性能测试。发射机射频的主要需求分为两部分：保证有用信道中发射信号的质量和防止来自于无用发射的频率分量。接收机应具有对抗大范围干扰信号的能力，从而保证有用信号可靠解调，并避免传输的过度敏感。下面详细介绍ZigBee的发射测试和接收测试。
　　（1）发射机测试
　　发射机测试原理：分析发射机发射信号，首先要用一个理想的接收机把发射信号变成数字的基带信号。然后在数字中进行信号处理，得出相应的指标。实际测试时，一般利用高性能的频谱仪或信号分析仪作为理想的接收机。经过理想接收机并AD转换后得到IO数据，对这些数据进行一系列的脉冲成形滤波、内插、抽取就会得到初始的测量信号，然后还需要对测量信号进行幅度、相位和频率，以及时间的修正以得到修正测量信号，然后对测量信号进行解扰、解扩、解调、再调制、再扩频、再加扰，经过成形滤波器就得到了参考信号，最后通过修正测量信号和参考信号的比较计算就得到了信道内测量的各个指标。
　　对于发射机，在发射机测试指标里主要包括如下测试项目：
　　●发射机信号输出功率
　　发射机发射功率应不干扰其他设备和系统，因此ZigBee 的输出功率一定要满足指标要求。不同地区的最大发射功率在相应的频段上是不同的，在中国最大发射功率为10mW（EIRP）。
　　●功率升降
　　●频谱发射模板
　　对于无线数据通信ZigBee 来说，发射机的频谱发射模板及杂散发射特性直接影响其对现存的无线电业务造成干扰。发射机频谱功率应低于规定的限值，在我国频谱功率模板限值如表1 所示。对于相对限值和绝对限值，平均功率谱均值的测量均采用100kHz 的分辨率带宽。对于相对限值参考功率为中心频率fc&600kHz最高的平均功率谱密度。
　　●发射杂散
　　发射机杂散辐射是由于非期望的发射机现象引起的（例如谐波辐射、寄生辐射、互调产物），但是不包括带外辐射。杂散辐射限值仅限于从信道边缘开始计算，大于有用带宽2.5 倍的频率范围。为了改善测量精度、灵敏度和效率，分辨率带宽可以小于测量带宽。
　　●中心频率容限
　　发射中心频率容忍度应在频率最大值的&40ppm范围内。
　　●星座图误差
　　●误差矢量幅度（EVM）
　　EVM指的是误差向量（包括幅度和相位的失量），表征在一个给定时刻理想无误差基准信号（物理层规范参考信号）与实际发射信号的向量差（见图2）。从EVM参数中，我们可以了解到一个输出信号的幅度误差和相位误差。
　　图2 误差矢量计算
　　图2 误差矢量计算EVM是衡量一个RF 系统总体调制质量的指标，定义为信号星座图上测量信号与理想信号之间的误差，用来表示发射器的调制精度，调制解调器、PA、混频器、收发器等对它都会有影响。发射机调制的准确度决定于EVM 的测量。当测量1000 码片时发射机的EVM应小于35%。接收到的实际发送信号应在接收系统恢复后的基带IQ码片上测量。
　　（2）接收机测试
　　接收机测试原理：接收机测试目的是为了评估无线数据通信接收部分整体性能是否符合设计和验收要求。一般情况下测试端口位于射频输入端口，采用标准信号源产生射频测试信号，馈入接收机，然后对输出码流进行测试以对接收机性能进行评估。
　　在接收机测试指标里主要包括如下测试项目：
　　●符号错误容限
　　在我国采用780MHz 频段O-QPSK/MPSK 调制的物理层符号速率应为62.5ksymbol/s，此时符号精度为& 40ppm。
　　●接收机灵敏度
　　接收机灵敏度是指满足一定的接收包错误率的情况下，接收机的最小输入功率。在满足表2 条件下设备具有达到-85dBm或更好的灵敏度。
　　●最大输入电平
　　接收机的最大输入电平是接收机期望信号在接收机输入端，满足表2 要求的最大输入功率。接收机的最大输入电平应大于等于-20dBm。
　　●接收机阻塞
　　阻塞特性指的是在期望信道之外存在干扰信号的情况下，干扰信号使接收有用信号质量下降幅度不超过接收机PER限值，即PEB《1%。其中，相邻信道为所需信道任意一边最近的信道，备用信道为相邻信道的下一信道。
　　相邻信道抗干扰应按如下方法测量：所需信道应按定义的780MHz O-QPSK/MPSK PHY 信号配置，信号功率应设为比测得的最大允许的接收机灵敏度大3dB。
　　●能量检测
　　信道能量检测为网络层提供信道选择依据。主要测量目标信道中接收信号的功率强度，由于这个检测本身不进行解码操作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之和。
　　●链路质量指示（LQI）
　　链路质量指示为网络层或应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息，与信道能量检测不同的是，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比指标。这个信噪比指标和物理层数据单元一并提交给上层处理。LQI 测量是描述接收数据包的质量。其测量可能会用到接受机ED、信噪比估计，或者两者的结合。
　　●空闲信道估计（CCA）
　　物理层应提供以下方法中至少一种来体现空闲信道估计CCA的能力。判断信道的信号能量，若信号能量低于某一个门限量，则认为信道空闲；判断无线信道的特征，这个特征主要包括两方面，即扩频信号和载波频率；综合前两种模式，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断。
　　●CCA测量参数
　　&&ED 门槛为对应于接收信号功率至少大于接收机灵敏度+10dB。
　　&&CCA 的检测时间应为8 符号周期。
　　4 ZigBee 射频参考测试方案
　　ZigBee 终端的射频测试系统由无线测试仪、频谱仪和信号发生器组成硬件平台，在此基础上采用GPIB或LAN口进行系统控制，在主控计算机上开发测试软件，最终实现全自动测试。
　　●无线测试仪：支持ZigBee 信令模式，支持IEEE802.15.4 规定的物理层特性的ZigBee信号。
　　●矢量信号源：支持IEEE 802.15.4 规定的物理层特性的ZigBee信号。
　　●频谱分析仪：支持ZigBee 终端频谱测试和杂散测试，带宽要达到30MHz～12.75GHz。
　　发射机测试原理图如图3 所示，ZigBee 发射信号进入矢量信号分析仪，测量各个发射机指标。
　　图3 发射机测试原理图
　　普通接收机测试原理图如图4 所示，矢量信号发生器产生标准ZigBee 信号传送给ZigBee 组件接收机，ZigBee 产生ACKFrame 确认接受。矢量信号分析仪分析ACK是否符合标准。
　　图4 接收机原理测试图
　　接收机阻塞原理图如图5 所示，矢量信号发生器1产生主要信号，矢量信号发生器2 产生邻信道干扰信号发送给待测件，测试接收机阻塞性能。
　　图5 接收机阻塞原理测试图
　　5 结束语
　　ZigBee 预计到2015 年国内物联网市场规模将达到7500 亿元，年复合增长率超过30%。智慧城市建设成为运营商推进物联网的重要落脚点。此外，工业和信息化部和财政部已设专项资金用以支持物联网发展。据悉，2013 年投入的专项资金支持预算较2012 年有所增长，将超过5 亿元。业内人士预计未来10 年内物联网会大规模普及，其产业规模将远超互联网。由此可知，ZigBee 技术将会发展迅速，其未来的应用范围也会相当的广泛。
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