嘉宾简介
张信伟先生，德州仪器无线产品高级工程师，技术委员会委员。对IoT相关技术应用方案有深入的了解，具备多年实际应用经验。
编者按
Zigbee联盟制定的Zigbee3.0标准是开放、多芯片平台、多厂家的物联网设备互操作标准。目前已被全球多个生态圈采用，在世界各地部署了5亿多个设备。不久前，亚马逊、苹果、谷歌和Zigbee联盟宣布共同成立互联家居项目工作组，开发和推广免专利费的新连接协议，以提升智能家居生态之间的兼容性。张信伟老师带来的课程主要围绕Zigbee射频物理层简介、Zigbee开发常见痛点及对策、智能硬件设计方法与布板规范三大课程模块展开。介绍了Zigbee 3.0硬件的适配性和应用性，并详细分析了Zigbee 3.0在应用中的发射功率、幅度误差、接收机抗干扰性等专业问题。
Zigbee的射频指标
首先看发射功率，Zigbee技术的发射功率有严格限制，其最大发射功率应该遵守不同国家所制定的规范。通常通信距离范围为10m，可扩大到约300m。其发射功率可根据需要，利用设置相应的服务原语进行控制。Zigbee发射机的最小发射功率为-3dBm，为减少对其他设备和系统的干扰和影响，在保证设备能够正常地工作条件下，每个设备的发射功率应尽可能的小。最大发射功率为20dBm，但是还需要过功率密度的指标，从而对发射功率进行压缩，要过各个国家规范的话，做Zigbee硬件设计的时候最好是控制发射功率到10-12dBm。
其次，在Zigbee标准协议下，发射机的调制精度由幅度误差矢量（EVM）来决定。Zigbee由于是oqpsk相位调制，有四个符号点，在调制物理层的时候，调制精度不大于35%。如果开发板匹配度较高，一般是可以通过的。
第三，频率精度。Zigbee遵循的IEEE862.15.4a规范，要求频率精度为40个ppm。在实验室调试的时候，将电容匹配做好即可。
第四，接收机抗干扰性。接收灵敏度要求小于等于-85dBm，最大接收电平大于等于-20dBm。这个对现在Zigbee厂家来说基本没有什么问题。
测试环境搭建好后，其他如基带过滤器，通道选择功能和硬件设计关系不大，都是芯片内部来实现，芯片商原厂会实现好。
影响Zigbee传输距离的因素
选择了Zigbee即选择了Mesh，作为Zigbee研发设计工程师，需要对影响Zigbee传输距离的因素做深度剖析。影响用户体验的指标有以下几种。第一，链路预算。链路预算由发射功率，接收机灵敏度，天线性能，频率等因素组成。频率越高，空间传输衰减越大。发射端和天线的方向接收给予电频的增益权重是相等的。所以工程师在调试天线时候，需要格外用心。尤其是天线的高度不容忽视。发射端和接收端的功率对链路预算来说，基本上是对称的。
第二，传输损耗。不是可视距离，就存在传输衰弱。不同的墙体对链路衰落都有影响。Zigbee与Wi-Fi之间的gateway问题，如果是不同厂家之间互相配合，物理层之间很难沟通，在天线上要增加一些隔离度，在应用层做适当隔离方案。如果是同一个厂家之间，可以通过优先设定，实现底层通讯协议互联互通。
Zigbee3.0硬件设计
目前市面上有很多通讯协议。按照网络区域分可分为个人网、局域网和邻域网。按照频段分，有2.4GHz和Sub-1 GHz，频段越低，通讯距离越远。除此之外，datarate也对距离有影响。Datarate越低，通讯距离越远，且有一定比例关系。
撇开价格不讲，纯从技术指标分析，如何找到适合自己的技术？第一个维度是通讯距离，传统蓝牙，低功耗蓝牙，Wi-Fi 2.4G，Zigbee，RF4CE，Sub 1GHz的通讯传输距离依次上升。第二个维度是数据吞吐率。毋庸置疑最大的是Wi-Fi，蓝牙其次，Zigbee最小。第三个维度是功耗。Wi-Fi功率最高，适合锂电池。Zigbee适合五号电池。第四个维度是网络拓扑结构。Zigbee是点对点。选择网络是根据应用的需求来做判断。
TI是Zigbee，蓝牙，Wi-Fi等各技术芯片都做。针对这些芯片，TI开发了sdk，帮助各种技术硬件适配层，实现协议切换。Zigbee芯片类型主要以CC2530、CC2652R、CC2652P三种为主。
以CC2652P举例，它在0dBm的时候是6.3mA，20dBm的时候是79mA。在全温度范围下，待机电流非常低。可让产品的电池寿命更长。硬件设计方面，芯片前端射频大概由前端2.4G normal power与 2652 high power路径组成。如果要跑多协议，可以使用normal power端口，提高效率。需要高功率可以使用high power路径。Oscillator约为32 kHZ。空间分级在硬件设计中非常重要，解决多径的问题。信号假设从不同路径反射到同一个点，有些相位是叠加的且衰弱。这样对于通信来说是不稳定的，尤其是环境比较嘈杂的情况。
电源设计方面，使用的是DC to DC。开发板用的是CC1352P1，CC1352P_2，CC1352P_4。在做layout时候，应该关注参考地平面，主控制，接地等等。插分尽量设计成等长。每个匹配电容，很多客户只会预留一个接地点。但是每个都应该加接地点。另外，参考地平面和芯片应该形成回路，控制噪声。
本文整理自CSHIA智能家居微课堂
《Zigbee3.0硬件设计基础》课程
