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設備

當前信道的能量檢測以及發送鏈路質量識別

信道頻率選擇和數據收發

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。這些幀格式會有區別，通用的MAC幀結構如圖4所示。

圖4 MAC MPDU幀結構

FCF區域中包含了幀類型、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。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，接收方將立即發送確認幀，若發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。可對如下參數進行設置：

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文件導入至信號發生器的基帶發生器中。802.15.4協議未規定任何的碼片編碼，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，采用矢量信號發生器內部的ARB發生器的方法，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發生器讀取波形文件中的IQ數據和采樣率，將其轉變為基帶信號，之后通過采樣和上變頻調制后發出。

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。