关于S矢量信号源产生IEEE_802.15.4标准信号的介绍和应用

1 引言
IEEE_802.15.4标准定义了廉价的固定式、便携式和移动式设备物理层PHY和媒体接入层MAC规范，在现实世界中，这种技术具有低功耗、低速率、低成本的特点，更适用于工控、医疗、传感器等简单组网应用，有许多种通信协议均基于此标准实现，如ZigBee、RF4CE、6LoWPAN、Wireless HART、SmartLink、THREAD等。

着重介绍使用罗德与施瓦茨（R&S）公司矢量信号源产生标准的IEEE_802.15.4测试信号，包括IEEE_802.15.4的PHY和MAC结构以及使用R&S IEEE_802.15.4 Frame Builder软件产生信号的方法。该软件基于EXCEL表格实现，免费使用及编辑，可对产生信号细节进行灵活配置，并可生成R&S矢量信号源可识别的数据和控制文件。

2 IEEE_802.15.4协议概述

IEEE_802.15.4协议主要定义了PHY和MAC，对于上层的网络层和应用层等，并没有具体定义。

2.1 IEEE_802.15.4 PHY
PHY数据服务定义了物理无线信道上发送和接收数据包的格式和类型，该数据被称作物理层协议数据单元PPDUS，同时定义了多种不同的工作频率范围，在不同的工作频率范围下，也定义了多种调制类型和数据速率，如图1。

图1 PHY工作频段和数据传输速率

868MHz频段主要被用于欧洲作为短距通信组网应用，780MHz频段多用于中国，950MHz则主要应用于日本，2450MHz是被全世界广泛使用的频率标准，具有较高的数据速率和高达16路的无线信道。

PHY在设备间通信过程中主要负责如下任务：

激活和取消无线收发设备

当前信道的能量检测以及发送链路质量识别

信道频率选择和数据收发

载波多路侦听的空闲信道预测CSMA/CA

PHY标准数据帧格式PPDU由同步头SHR、物理层头PHR和PHY净荷构成，字节长度在协议中已定义，如图2所示。

图2 PHY-PPDU帧格式

SHR由前导码和紧随其后的帧起始分隔符SFD构成，前导码序列为4 Bytes数据0x00，同时SFD固定设置为0xA7。PHY层服务数据单元PSDU是由MAC帧继承而来，作为PHY的净荷， PHR定义了PSDU单元的数据长度。最高位被设置为0，其余7个字节可以表征的数据长度最大数值为127位。最终编码生成的二进制PPDU数据会通过符号映射后直接扩频为码片数据，之后通过O-QPSK映射，其具体流程如图3。

图3 O-QPSK PHY扩频和调制映射

PHY数据的O-QPSK调制处理过程，首先将数据单元的二进制数据中每四位转换为一个符号，然后将每个符号扩频转换为长度为32的码片序列，用符号查找对应16个近似正交的伪随机映射表，映射完成之后的码片数据，依次交替的分为IQ数据流，通过half-sine滤波器成形形成调制符号。

2.2 IEEE_802.15.4 MAC

MAC形成了在PHY和更高应用层之间的接口，如ZigBee的网络层。该层的MAC数据服务可以通过帧的形式接收和发送，该帧的名称为MAC协议数据单元MPDUS，也就是对应传递至PHY帧结构中的PSDU。

MAC帧结构的设计是以用最低复杂度实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输为目标的。每个MAC帧都包含帧头MHR、MAC净荷MAC Payload和帧尾MFR三部分。MHR部分由帧控制信息FCF、帧序列号SN和地址信息组成。MAC的净荷部分长度可变，净荷的具体内容由帧类型决定。帧尾部分是帧头和净荷数据的16位CRC校验序列FCS。IEEE_802.15.4协议共定义了四种类型的帧，信标帧、数据帧、确认帧和MAC命令帧。这些帧格式会有区别，通用的MAC帧结构如图4所示。

图4 MAC MPDU帧结构

FCF区域中包含了帧类型、地址信息、以及其他控制标识，该部分长度为2 Bytes。

只有广播帧和数据帧包含了高层控制命令或者数据，确认帧和MAC命令帧则用于设备间MAC子层功能实体间控制信息的收发。广播帧和确认帧不需要接收方的确认，数据帧和MAC命令帧的帧头FCF指示收到的帧是否需要确认，如果需要确认，并且已经通过了CRC教研，接收方将立即发送确认帧，若发送设备在一定时间内收不到确认帧，将自动进行重传。

3 R&S针对IEEE_802.15.4帧及信号波形产生方法

R&S提供了IEEE_802.15.4数据帧产生软件，该软件基于EXCEL表格，简单易用。

可方便对PHY和MAC参数进行设置，同时，该帧结构基于O-QPSK调制方式。可对如下参数进行设置：

MAC帧头设置及净荷数据

帧校验码自动计算和同步头定义

符号至码片映射及数据生成导出

生成R&S矢量信号源支持的数据和控制文件

图形化显示帧结构等

3.1 IEEE_802.15.4 Frame Builder软件生成基带数据

软件基于VBA代码，需要在EXCEL中使能该功能。

图5 R&S IEEE_802.15.4 Frame Builder软件界面

软件界面中显示了IEEE_802.15.4基本帧结构，指引使用者了解每部分具体设置作用及定义，即帧结构中各个部分的具体设置项目，可针对实际测试需求生成各部分帧定义。

FCF区域控制信息及帧类型设置。

MAC帧头中其他数据位设置，包括帧序列号，地址信息等。

导入数据载荷，可通过手动输入或ASCII十六进制文本文件导入，数据格式为16进制，导入完成后，软件会自动计算校验码并计算出最终得到的MPDU帧数据。

MAC层数据生成后，会自动计算帧长度，前导码和SFD帧分隔符也为固定值，生成最终的PHY层帧数据。

软件会自动将生成的数据扩频至码片数据，可设置帧与帧间的闲置符号。

3.2 IEEE_802.15.4测试波形产生

配置有实时基带发生器的R&S矢量信号源都能够实时产生调制数字信号，同时均可产生通用标准（如LTE）的数字调制信号。使用实时自定义数字调制产生测试波形的流程框图见下图6。

图6 自定义数字调制波形产生

将软件生成的标准Datalist文件导入至信号发生器的基带发生器中。802.15.4协议未规定任何的码片编码，所以无需定义任意形式的编码方式。

802.15.4协议以O-QPSK调制映射方式未在矢量信号源中进行定义，可采用导入自定义调制映射文件的方式进行设置，软件中映射文件“15.4-OQPSK.vam”可直接使用，如需自定义产生各种调制映射文件，可使用R&S公司的MATLAB应用工具MapWiz。

需要载入half-sine脉冲成形滤波器至矢量信号发生器中，Frame Builder软件中自带的滤波器文件“15.4-halfsine.vaf”也可直接被使用，如需自定义产生各种成形滤波器文件，可使用R&S公司的MATLAB应用工具FizWiz。

亦可使用计算机软件产生测试波形，采用矢量信号发生器内部的ARB发生器的方法，R&S公司提供了免费的信号生成和处理软件WinIQSim2操作简单直观，在ARB模式下，所有波形计算和处理都在计算机侧完成，矢量信号发生器只将计算好的波形播放。直接将生成的波形可通过网线传输至R&S矢量信号源，在WinIQSim2软件中也可以对生成信号的时域和频域波形进行预览，预判生成的信号是否正确使用。ARB模式生成和播放波形的具体流程如下图7所示：

图7 ARB模式波形产生

将软件中生成的波形文件导入矢量信号源的ARB内存。

通过ARB发生器读取波形文件中的IQ数据和采样率，将其转变为基带信号，之后通过采样和上变频调制后发出。

4 小结

R&S公司关于IEEE_802.15.4协议标准数字信号产生的方法和应用软件，经过实际验证，具备完全的可操作性，可以为运营商、无线数据设备厂商生成参考测试文件，也可在开发阶段进行任意形式的自定义验证。

罗德与施瓦茨公司自成立至今的七十多年间，一直致力于为无线电通信提供高性能的测试和测量仪器。请访问罗德与施瓦茨公司中文网站：www.rohde-schwarz.com.cn或就近联系罗德与施瓦茨公司各地的代表处，我们将为您提供符合您需要的测试方案和仪器。