Kommunikationsmesstechnik ZigBee-Konformität unter der Lupe

Standard-basierte drahtlose Technologien verzeichnen eine stetig wachsende Verbreitung, die Konformität und Interoperabilität der Geräte wird immer wichtiger. Diese lässt sich aber nur mit Hilfe entsprechender Konformitäts- und Zertifizierungstests gewährleisten.

Drahtlose Verbindungen stehen im Zentrum des modernen Datenaustauschs, gleich ob zwischen Menschen oder Maschinen. Das Internet der Dinge, Maschine-Maschine-Schnittstellen oder Heimautomatisierung, die mittlerweile in verschiedenen Evolutionsstufen existieren, sind von drahtlosen Verbindungsmöglichkeiten und lizenzfreien Verbindungsstandards, wie Bluetooth Wi-Fi und ZigBee, abhängig. LTE-Netzwerkanbieter sehen hier ebenfalls Möglichkeiten und arbeiten mit OEMs an der Realisierung von Plattformen, die WAN- (Wide Area Network) mit PAN/HAN-Netzwerken (Personal Area Network/Home Area Network) kombinieren, um einen nahtlosen Zugriff, Steuerung und Überwachung zu ermöglichen.

Obwohl diese drahtlosen Verbindungsmöglichkeiten lizenzfrei sind, kann nicht auf einen Test und eine Zertifizierung verzichtet werden, besonders wenn diese die anfangs genannten IEEE-sanktionierten Protokolle verwenden. Dies gilt für das Design und den Betrieb des Funk-Frontends aber auch für die Interoperabilität mit anderen Geräten des jeweiligen Standards.

Interoperabilität

Standards sind entscheidend, um eine Markt-'Attraktivität' für neue Technologien zu schaffen. Drahtlose Verbindungsmöglichkeiten sind ein Paradebeispiel, wie dies in der Praxis funktioniert. Drahtlose Geräte können zwar auch ohne eine Zertifizierung in Betrieb genommen werden, der Markt-'Wert' eines solchen Geräts ist jedoch direkt von der Konformität zu einem weit verbreiteten Standard abhängig. Somit wird die Konformität strikt kontrolliert.

Zum Beispiel hat die ZigBee Alliance das ZigBee Certified Programm ins Leben gerufen, das als Typ 1b Zertifizierungsprogramm im ISO/IEC Guide 67: 2004 definiert ist. Es umfasst vier Stufen: Test; Evaluierung; die Entscheidung eine Zertifizierung zu erteilen oder nicht; und die Lizenzvergabe (die auch die Nutzung des Logos umfasst).

Es ist wichtig, dass OEMs den Unterschied zwischen Test und Zertifizierung kennen. Nur die Alliance allein kann eine Zertifizierung erteilen, viele Testlabore bieten aber inzwischen Testdienstleistungen an und auf der Website der Alliance ist eine Liste von autorisierten Testanbietern zu finden.

Die Alliance bietet zwei Stufen der Standard-Konformität - ZigBee Compliant Platforms und ZigBee Certified Products - zudem ist eine Manufacturer Specific Profile Certification für Produkte verfügbar, die kein öffentliches Anwendungsprofil nutzen. Bild 1 zeigt die Unterschiede der Zertifizierungen im Hinblick auf ZigBee Alliance Stack und Application Profile Typen.

OEMs können die grundlegende Konformität ihrer Produkte zum ZigBee Standard auch ohne die kostspielige Mitwirkung eines Testlabors mit Hilfe von Standardtestinstrumenten und etwas Grundwissen über die Anforderungen des Standards selbst überprüfen. Mittels derartiger Pre-Compliance-Tests können OEMs bei der Entwicklung ZigBee-konformer Geräte viel Zeit und Geld sparen.

Konforme Plattformen müssen MAC- und PHY- Schichten verwenden, die dem 802.15.4 Standard entsprechen. Dagegen müssen Certified Products zwangsläufig auf einer Compliant Platform basieren. Mittlerweile bieten viele Hersteller ZigBee-Plattformen an, die sich als Basis für eine konforme Plattform (oft ein einzelnes integriertes Bauteil) oder als schlüsselfertiges zertifiziertes Produkt (normalerweise ein Modul) eignen. Welcher Weg beschritten wird, ist eine kommerzielle oder technische Frage. Die Kosten für Module sind normalerweise höher als für integrierte Lösungen. Die Zertifizierung ist bei Modulen aber meist einfacher und deshalb unterhalb einer gewissen Produktionsmenge kostengünstiger – die Grenze liegt meist in der Größenordnung von 25.000 Stück.

Funktest

Die Verwendung einer modularen oder integrierten Lösung kann Vorteile im Hinblick auf die Validierung des Funk-Frontends bringen, beispielsweise für einen Konformitätstest oder um die Leistungsfähigkeit des Geräts zu messen und zu optimieren.

Normalerweise wird ein extern entwickeltes Funk-Frontend, wie das MRF24L40MB von Mikrochip, über einen seriellen Bus (hier SPI) gesteuert. Dieser Mixed-Domain-Ansatz ist bei System-Designs immer häufiger zu finden, besonders wenn Standards wie ZigBee beteiligt sind. Die gewünschte Funktionsweise wird dann über SPI Befehle gesteuert, beispielsweise um Register für die Kanalfrequenz oder die Ausgangsleistung einzustellen. Nach wie vor ist aber die Messung der Leistung des Funk-Frontends immer noch eine wichtige und notwendige Aufgabe im Design-Prozess. Die Korrelation der erwarteten und der tatsächlichen Leistung kann schwierig sein, wenn sowohl Digital- als auch Analog-/Hochfrequenzsignale zu messen sind. Genau für solche Aufgaben wurden die Mixed-Domain-Oszilloskope von Tektronix entwickelt. Bild 2 zeigt ein typisches System auf der Basis des Funkmoduls und des Test-Boards Explorer 16 ZigBee von Mikrochip, bei dem mit einem MDO4000 die Funkschaltung untersucht wird. Wie in Bild 3 dargestellt, können sowohl Signale aus dem Zeitbereich als auch aus dem Frequenzbereich simultan erfasst und angezeigt werden.

Dadurch lässt sich die Leistung des Hochfrequenz-Ausgangs in einen Bezug zur aufgenommenen Leistung aus der Stromversorgung bringen und somit überprüfen, ob die Funkschaltung innerhalb der spezifizierten Ausgangsleistung arbeitet.

Der Kanalabstand liegt bei IEEE 802.15.4 (einschließlich ZigBee) bei 5 MHz und die 20 dB Kanalbandbreite sollte deutlich geringer sein als der Kanalabstand. Damit sind die Messung dieses Parameters und die Korrelation gegen ein Trigger-Ereignis wichtig.

Weil das MDO4000 auch eine Aufzeichnung des gemessenen Signals über die Zeit erlaubt, kann auch eine I- (Real) und Q (imaginär) Abwärtsmischung erfolgen, um die momentane Abweichung von der Mittenfrequenz zu ermitteln. Dadurch ist eine Analyse der HF-Amplitude über die Zeit möglich.

Dies vereinfacht auch die Messung des während einer Paketübertragung fließenden Stroms, sodass das Entwicklungsteam eine Stromversorgung entwickeln kann, die besser die Anforderungen des End-Designs erfüllt.

Anforderungen der realen Welt

Dies lässt sich auch auf eine Messung der Systemleistung ausdehnen, wenn die Leistung der Stromversorgung nachlässt. Dies ist ein typisches Szenario bei einem Batteriebetrieb. Durch den Einbau eines niederohmigen Widerstands in Reihe mit der Versorgung kann eine leere Batterie simuliert werden. Damit lässt sich messen, welchen Einfluss dies auf die HF-Ausgangsleistung hat. Eine Absenkung der Versorgungsspannung um nur 250 mV kann zum Beispiel zu einer Reduzierung der HF-Leistung um 1 dB führen. Dies hat eine Zunahme der Nachbarkanalstörungen zur Folge, was mit Hilfe der Spektrum-Anzeige des MDO4000 erfasst und überprüft werden kann.

Die Leistung von Funksendern sollte unter unterschiedlichen Stromversorgungsbedingungen untersucht werden, um sicherzustellen, dass das Design immer gemäß dem Standard arbeitet.

Zudem lassen sich mit MDO4000 auch SPI-Befehle direkt dekodieren. Somit kann eine Triggerung bei einem speziellen Befehl erfolgen und die Aktivität der Schaltung mit SPI-Befehlen und HF-Ereignissen korreliert werden. Dies ist zum Beispiel in Kombination mit dem Verlauf der Versorgungsspannung möglich. Dadurch lässt sich sehr einfach verfolgen wie ein SPI-Befehl eine Funkübertragung startet und wie sich dies auf die Leistungsaufnahme auswirkt, und zwar sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich (Bild 4).

Bee Funkschaltung den PHY-Layer-Leistungsanforderungen von IEEE 802.15.4 entspricht. Die pseudozufallabhängige Verzögerungszeit zwischen dem Befehl und der Funkübertragung ist notwendig, damit das Funkmodul überprüfen kann ob noch andere ZigBee-Funksender aktiv oder sonstige Funkstörungen vorhanden sind.

Einfluss von außen

Die Spektrumanalysatorfunktion des MDO4000 ermöglicht auch ein rasches Scannen eines breiten Frequenzspektrums, um unerwünschte Störsignale zu entdecken. Für die Funkzertifizierung und einen Konformitätstest durch ein Testhaus ist ein vollständiger Scan mit einem Spektrumanalysator mit einer höheren Frequenz notwendig, die meisten potentiell problematischen Signale lassen sich aber auch mit dem MDO4000 finden.

Mit Hilfe einer Antenne kann das MDO4000 das örtliche Spektrum evaluieren und Funkquellen suchen, die während der Entwicklung des Geräts zu Interferenzen führen können. Dies kann beispielsweise ein lokales Wi-Fi-Netzwerk sein, das mehrere für ZigBee vorgesehene Kanäle nutzt. Zu starke Signale können das ZigBee-Funkmodul beeinträchtigen oder sogar komplett blockieren. Eigentlich berücksichtigt das ZigBee-Protokoll solche Szenarios und beinhaltet eine Scan-Funktion, um vor dem Senden einen freien Kanal zu suchen.

Die Verwendung von ZigBee-konformen Geräten im Zuge der zunehmenden Verbreitung von lizenzfreien drahtlosen Geräten übt großen Druck auf die Entwickler aus. Viele Ingenieure haben zwar nur grundlegende HF-Kenntnisse, mit ichen. Testlösungen, die Mixed-Domain- und Standard-Tests mit einer Protokoll-Decodierung kombinieren können, bieten dabei einen entscheidenden Produktivitätsvorteil. Geräte wie das Mixed-Domain-Oszilloskop MDO4000 eignen sich für die Überwachung und Verifizierung von HF-Systemen bis zu 6 GHz. Sie verfügen über vier analoge Kanäle mit einer 1 GHz Bandbreite und 16 digitale Kanäle und ermöglichen eine zeitkorrelierte Darstellung.

Tektronix /Hailey Percival