中 華 大 學 碩士 論 文

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中 華 大 學

碩士 論 文

無線感測網路通訊模組設計與測試 Wireless sensor network communication

module design and testing

系 所 別：電機工程學系碩士班 學號姓名：M09901001 許靜宜 指導教授：田慶誠 博士

中 華 民 國 101 年 7 月

2

摘要... 8

Abstract ... 9

致謝... 10

第一章 序論... 11

1.1 研究動機... 11

1.2 論文簡介... 11

第二章 無線感測網路與 ZigBee 通訊協定簡介 ... 12

2.1 無線感測網路... 12

2.1.1 無線感測網路簡介... 12

2.1.2 無線感測網路優勢... 12

2.2 ZigBee 通訊協定 ... 13

2.2.1ZigBee 定義 ... 13

2.2.2 IEEE 802.15.4/ZigBee 架構 ... 14

第三章 無線感測網路通訊模組系統架構... 16

3.1 ZigBee 通訊模組電路系統架構 ... 16

3.2 通訊模組天線設計流程... 19

3.3 通訊模組產品測試 Firmware 架構與功能 ... 20

第四章 ZigBee 通訊 IC-TI CC2530 ... 22

4.1ELECTRICAL CHARACTERISTICS ... 22

4.1.1 Core current consumption ... 22

4.1.2 Peripheral Current Consumption ... 23

4.2 GENERAL CHARACTERISTICS ... 24

4.3 CRYSTAL OSCILLATOR ... 25

4.3.1 32-MHz CRYSTAL OSCILLATOR ... 25

4.3.2 32.768-kHz CRYSTAL OSCILLATOR ... 25

4.4UART ... 26

4.4.1 SPI ... 26

4.5ADC CHARACTERISTICS ... 27

4.6RF Core ... 30

4.6.1 RF RECEIVE SECTION ... 30

4.6.2 RF TRANSMIT SECTION ... 32

4.6.3 RSSI ... 33

4.7 PIN DESCRIPTIONS ... 34

第五章 ZigBee 通訊模組周邊電路 ... 35

5.1Balun 簡介 ... 35

5.1.1Balun 模擬 ... 36

5.1.2Balun 實測結果 ... 39

5.2 Crystal Resonator ... 40

3

5.3 ZigBee 通訊模組周邊 I/O ... 41

表 5.1-通訊模組周邊 I/O Pin... 42

第六章 通訊模組天線設計... 43

6.0 Planar Inverted-F Antenna (PIFA)簡介 ... 43

6.1 PIFA 天線模擬 ... 43

6.1.1 天線模擬步驟... 43

6.1.2 PIFA 天線設計與模擬結果 ... 47

6.1.3 PIFA 天線輻射場型模擬結果分析 ... 49

6.2 天線實測... 53

6.2.0 天線測試儀器 setup ... 53

6.2.1 測量七號與八號 PIFA 天線 ... 54

6.2.2 測量 IPEX 接頭對天線之影響 ... 56

6.3 模擬和實測比較-七號與八號天線 ... 59

第七章 ZigBee 通訊模組系統實測 ... 61

7.0 儀器(頻譜)操作設定 ... 61

7.1 CW Signal Output Power & Frequency Testing ... 62

7.2 Modulated Signal Output Power & Bandwidth Testing ... 71

7.3 室外無線通訊 RSSI &Packet error rate 測試結果... 76

7.4 室外無線通訊天線極化方向測試結果... 80

第八章結論... 82

參考文獻……….83

4

圖目錄

圖 2.1 IEEE 802.15.4 / ZigBee 模式架構圖 ... 14

圖 3.1-通訊模組系統架構 ... 16

圖 3.2-無線感測器設備構成 ... 16

圖 3.3-CC2530 方塊圖(1) ... 17

圖 3.4-CC2530 方塊圖(2) ... 17

圖 3.5-CC2530 方塊圖(3) ... 18

圖 3.6-設計天線流程圖 ... 19

圖 3.7 產品測試 Firmware 流程圖 ... 20

圖 4.1-典型 SPI 介面 ... 26

圖 4.2-Single-ended 與 Differential ... 27

圖 5.3-CC2530 I/O Pin 示意圖 ... 34

圖 5.1- TI CC2530 周邊電路介紹 ... 35

圖 5.2-Balun 電路方塊圖 ... 35

圖 5.3-Balun 架構圖 ... 36

圖 5.5-Balun ... 37

圖 5.6-理想電路模擬值(Balun) ... 37

圖 5.7-實際電路(Balun) ... 38

圖 5.8-Balun(實際電路模擬) ... 38

圖 5.9 實際電路模擬... 38

圖 5.10-實測電路(Balun) ... 39

圖 5.11-實測電路結果(Balun) ... 39

圖 5.12- Crystal Resonator ... 40

圖 5.13-通訊模組周邊 I/O ... 41

圖 6.1 天線設計模擬環境(λ/4) ... 43

圖 6.2- PIFA 天線外觀 ... 44

圖 6.3- PIFA 天線模擬(1) ... 44

圖 6.4- PIFA 天線模擬數據(2) ... 44

圖 6.5- PIFA 天線模擬數據(3) ... 45

圖 6.6-Solution Data ... 45

圖 6.7-七號天線 Size ... 47

圖 6.8- Solution Data(七號) ... 47

圖 6.9-七號天線模擬結果 ... 47

圖 6.10-八號天線 Size ... 48

圖 6.11- Solution Data(八號) ... 48

圖 6.12-八號天線模擬結果 ... 49

圖 6.13-定義天線方向 ... 49

5

圖 6.14- PIFA 天線的特性 ... 49

圖 6.15- YZ 平面(E-Plan)與對照圖 ... 50

圖 6.16- XZ 平面(H-Plan)與對照圖 ... 50

圖 6.17- XY 平面 ... 51

圖 6.18-3D Radiation Pattern ... 51

圖 6.19-2D 與 3D Radiation Pattern(E-Plane) ... 52

圖 6.20-2D 與 3D Radiation Pattern(H-Plane) ... 52

圖 6.21-2D 與 3D Radiation Pattern(XY-Plane) ... 53

圖 6.22-儀器 Step 架構圖與實測 ... 53

圖 6.23-七號天線 Size ... 54

圖 6.24-七號、八號天線量測 ... 54

圖 6.25-七號天線量測結果 ... 55

圖 6.26-八號天線量測結果 ... 55

圖 6.27-IPEX 電路圖 ... 56

圖 6.28-PCB layout ... 56

圖 6.30-校正(THUS) ... 57

圖 6.31-IPEX 接頭與(IPEX 接+Cable)loss ... 57

圖 6.32- 量測 IPEX 接頭與(IPEX 接+Cable)loss ... 57

圖 6.33-IPEX 接頭未焊接 ... 58

圖 6.34-八號天線+IPEX 接頭(紅色方框) ... 58

圖 6.35-七號天線模擬量測比較(Smith Char) ... 59

圖 6.36-七號天線模擬量測比較(S11) ... 59

圖 6.37-八號天線模擬量測比較(Smith Char) ... 60

圖 6.38-八號天線模擬量測比較(S11) ... 60

圖 7.1-不同的 RBW 與雜訊位準關係 ... 61

圖 7.2-VBW ... 62

圖 7.3-CW signal output power & frequency 量測步驟 ... 62

圖 7.4-CW signal output power ... 64

圖 7.5-NO.1 與 NO.2 (4.5dBm) ... 65

圖 7.6-NO.1 與 NO.2 (2.5dBm) ... 65

圖 7.7-NO.1 與 NO.2 (1dBm) ... 66

圖 7.8-NO.1 與 NO.2 (-1.5dBm) ... 66

圖 7.9-NO.1 與 NO.2 (-3dBm) ... 66

圖 7.10-NO.1 與 NO.2 (-4dBm) ... 67

圖 7.11-NO.1 與 NO.2 (-6dBm) ... 67

圖 7.12-NO.1 與 NO.2 (-8dBm) ... 68

圖 7.13-NO.1 與 NO.2 (-10dBm) ... 68

圖 7.14-NO.1 與 NO.2 (-12dBm) ... 68

6

圖 7.15-NO.1 與 NO.2 (-14dBm) ... 69

圖 7.16-NO.1 與 NO.2 (-16dBm) ... 69

圖 7.17-NO.1 與 NO.2 (-18dBm) ... 70

圖 7.18-NO.1 與 NO.2 (-20dBm) ... 70

圖 7.19-NO.1 與 NO.2 (-22dBm) ... 70

圖 7.20-IEEE 802.15.4/ZigBee Transmit PSD limits ... 71

圖 7.21-Tx Power -6dBm ... 71

圖 7.22-Tx Power -8dBm ... 72

圖 7.23-Tx Power -10dBm ... 72

圖 7.24-Tx Power -12dBm ... 72

圖 7.25-Tx Power -14dBm ... 73

圖 7.26-Tx Power -16dBm ... 73

圖 7.27-Tx Power -18dBm ... 74

圖 7.28-Tx Power -20dBm ... 74

圖 7.29-Tx Power -22dBm ... 75

圖 7.30-+Z 電場輻射 ... 76

圖 7.31-+X、-X 電場輻射 ... 76

圖 7.32--Z 電場輻射 ... 77

圖 7.33-+Y 電場輻射 ... 77

圖 7.34- -X、+X 電場輻射 ... 78

圖 7.35- -Y 電場輻射 ... 78

圖 7.36- +Z、-Z 電場輻射 ... 79

圖 7.37-+Y、-Y 電場輻射 ... 79

圖 7.38-+Z 電場輻射 ... 80

圖 7.39-+X、-X 電場輻射 ... 80

圖 7.40-+Y 電場輻射 ... 81

圖 7.41- -Y 電場輻射 ... 81

7

表目錄

表 4.1-Core current consumption ... 23

表 4.2- Peripheral Current Consumption ... 24

表 4.3- General Characteristics ... 24

表 4.4- RADIO... 25

表 4.5- SPI ... 27

表 4.6- ADC Characteristics ... 29

表 4.7- RF RECEIVE SECTION ... 31

表 4.8- RF TRANSMIT SECTION ... 33

表 4.9-I/0 Pin 說明 ... 34

表 5.1-通訊模組周邊 I/O Pin... 42

表 6.1-Cabel Size 設定 ... 46

表 6.2- HFSS 設定 ... 46

表 6.3 儀器設定參數... 54

表 7.1-CW signal output power ... 64

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無線感測網路通訊模組設計與測試

指導教授：田慶誠 博士 研究生：許靜宜 中華大學電機研究所 通訊組

摘要

本論文主旨在於無線感測網路通訊模組之小型化天線設計與測試，通訊距離 設計目標達到 50~100m。同時兼顧成本之降低，微小化之天線將整合在通訊模組 PCB 板上。

論文內容包含 PIFA(Planar Inverted-F Antenna)天線設計、Balun 電路設計、

調整工作頻率以符合 IEEE 802.15.4 ZigBee 所規範的標準。新設計之微小化 PIFA 天線輻射場型模擬結果與量測結果相符，Balun 電路設計使用傳輸線與元件匹配 達到 TI CC2530 最佳負載阻抗 。最後將展示 ZigBee 通訊模組系統實測之結果。

在 4.5dBm 輸出功率條件下，通訊距離達到 100m 時，PER 均小於 1%。

關鍵詞：ZigBee、CC2530、PIFA 天線、場型。

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Wireless sensor network communication module design and testing

Advisor：Dr. Ching-Cheng Tien Student︰Jing-Yi Xu Department of Electrical Engineering

Chung Hua University

Abstract

The purpose of this thesis is based on the design and testing of the miniaturized antenna for wireless sensor network communication module. The design goals of the communication distance is required to reach 50 ~ 100m. Taking into account the cost reduction, the miniaturized antennas will be integrated in ZigBee module PCB board.

The contents of this thesis include PIFA (Planar Inverted-F Antenna) antenna design, the balun circuit design and adjustment of the operating frequency in order to comply with the IEEE 802.15.4 the ZigBee standards. Newly designed miniaturized PIFA antenna radiation pattern simulation results are consistent with the measured results. Balun circuit design uses the transmission lines and passive components.

Differential impedance as seen from the RF port towards the antenna will be matched to TI CC2530 optimum load impedance. Finally, we will show the system measurement results of the ZigBee modules. In the condition of output power 4.5dBm, when the communication distance is close to 100m, PER are still less than 1%.

Keyword: ZigBee、CC2530、Planar Inverted-F Antenna、Antenna pattern。

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致謝

兩年的洗禮讓我從天真無知的大學生進而學習到真正的「做事的態度與方

法」，首先感謝田慶誠老師，讓我學會在負面情緒的環境下，如何調適心情面對，

析問題與解決問題，除了專業知識及技能有所成長，也在其他方面從老師身上得 到學習的表率，學生會將老師所指導的精神繼續保持，在此十分感謝田老師的啟 發。

感謝王志湖老師的熱心指導幫忙，以及計畫合作對象江俊杰、鍾仁峰、莊青 龍大哥指導，因為你們的參與，讓學生學習更多，再者感謝就是學長、學姊們：

小 gay、大力、阿洲、狗屎哥、孟勤的幫忙。

接著同期的同學們：Tako、佩蓉、洪爺、阿倫彼此互相摩合適應到完成任務，

所幸有各位，孤燥苦悶的生活添加許多樂趣及回憶。

再者感謝學弟妹以及大學部學弟妹鼓勵與幫忙，因為你們的鼓勵，我才有動 力繼續下去。

最後要感謝的就是我的父母，感謝您們一直忍耐任性的女兒個性，包容我許 多的情緒，也謝謝您們尊重我的決定，讓我可以放心的致力學業，在此跟您們說 聲 “謝謝，您們辛苦了。

靜宜 謹識

中華民國一百零一年八月 新竹

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第一章 序論

1.1 研究動機

首先，使用三、四家廠商提供通訊模組，發現共同問題，室內傳送距離大約 只有 30m 左右，價格方面大約 10~12 美金，希望降低成本，也可改善傳送距離 的問題。

無線感測網路通訊模組如使用外接式天線，在外型上體積大了許多，且成本 也是個負擔，因此，希望設計出 On-board 天線方式的無線感測網路通訊模組，

室外傳送距離希望達到 100m。

1.2 論文簡介

本論文宗旨為設計出無線感測網路通訊模組，On-board 天線距離希望可達到 100m，通訊模組系統選用之 ZigBee™ MCU 晶片為 TI CC2530，並且通訊模組會 使用在室內與室外環境，放置在不同方向造成天線輻射強度，因此將模組在室內 與室外的環境測試。

論文架構如下：

第一章 序論

第二章 無線感測網路與 ZigBee 通訊協定簡介 第三章 無線感測網路通訊模組系統架構 第四章 ZigBee 通訊 IC-TI CC2530 第五章 ZigBee 通訊模組周邊電路 第六章 通訊模組天線設計

第七章 ZigBee 通訊模組系統實測 第八章 結論

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第二章 無線感測網路與 ZigBee 通訊協定簡介

2.1 無線感測網路

2.1.1 無線感測網路簡介

無線感測網路（Wireless sensor network）不只是感測器而已，不僅能夠替換 以往乙太網路，串列通訊、現場匯流排等有線網路，還有採用以往有線網路難以 進行處理量測控制問題。無線感測網路通常經由閘道和乙太網路、串列通訊、現 場匯流排等有線網路進行連接，用來存取終端資料。無線感測網路在建築設備自 動化、家庭設備自動化、工業設備自動化等領域應用。

無線感測器網路的發展最初起源於戰場監測等軍事應用。而現今無線感測器 網路被應用於很多民用領域，如環境與生態監測、健康監護、家居自動化以及交 通控制等。

無線感測網路每節點除配備了一個或多個感測器之外，還裝備了一個無線電

收發器、一個很小的微控制器和一個能源（通常為電池）。

無線感測網路主要包括三個方面：感應，通訊，計算（硬體，軟體，演算法）。

其中的關鍵技術主要有無線資料庫技術，比如使用在無線感測器網路的查詢，和 用於和其他感測器通訊的網路技術，特別是多次跳躍路由協議。例如使用在家庭 控制系統中的 ZigBee 無線協議。

2.1.2 無線感測網路優勢

無線感測網路優勢以下三點：

成本降低：目前有線網路需佈置線路和機器本身費用還是相當高。使用無線 感測網路相對成本降低許多。

變更流程方面：製造業各企業間競爭激烈，導致製造商生產模式傾向“多種 類少數量”的模式轉變。就是需要有能彈性對應設備，改善生產。使用無線感測 網路的測量控制器的話，對應此類變更操作簡單又快捷，減少許多不必要流程。

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不僅只有製造業所需，可依各行各業所需製作無線感測網路設備。

感應測範圍擴大：有線網路中，有時會存在對如旋轉體般的物理不能進行安 裝的情況，或是節省佈置線路成本，而有數百個量測點，需要許多感測器的情況。

透過無線感測網路，將以往的建築中不可能實現的量測網路變成可能。

2.2 ZigBee 通訊協定 2.2.1ZigBee 定義

ZigBee 名稱由來，據說是 ZigZag(Z 字形)和 Bee(蜜蜂)的合成語。此外 ZigBee 支援多跳式網狀網路，像蜜蜂一樣相互交換資料，同時還形象表現出 Z 字形路 線到達目的的過程。

無線區域網路(LAN)、行動電話等中速以及高速通信制定的無線網路標準化 規格已有許多，針對感測器、量測控制系統的無線網路標準還不存在。感應測器 或量測控制系統不需要高速傳輸速度，取而代之，低價以及為了電池能長時間驅 動低耗電是必備條件。

ZigBee 感測器或量測控制系統無線網路的國際性業界標準技術。以下四項 要求：

耗電量：感應測器的信號無線化同時，希望電源線也無線化。普通電池壽命 要以年為單位。

低費用：降低設備成本，並且降低安裝和維護等費用。

網路容量：考慮到存在許多感測器節點，至少需要數以百計網路容量。

相互連接性：將來可能會是多個製造商提供產品的情況，透過簡單通訊協定，

就能夠真正互相運用相容。

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2.2.2 IEEE 802.15.4/ZigBee 架構

圖 2.1 IEEE 802.15.4 / ZigBee 模式架構圖

由於本論文最主要使用實體層部分。以下介紹 IEEE 802.15.4 每一層概述：

實體層：規定有關網路中必要物理性的載體。如：乙太網路的電纜以及連 接線形狀、特性等。

資料連結層：具有被連接到網路上的節點間準確傳達資訊的功能。如：雜訊 等原因發生通訊錯誤，進行檢測錯誤、修改錯誤、重新發送請求等待處理。

網路層：進行位址管理和通信路由管理。辨別網路上各節點，位址是不可或 缺。節點不能直接傳輸資料，還要可以設置通信路徑的路由功能。網際網路的網 路層協定是 IP(Internet Protocol)。

傳輸層：傳輸資料量大的情況，規定須將其分成多訊框(分封)進行傳輸。網 路上的資料不一定按照發送順序到達信號接收端，部分訊號框出現缺損情況。傳 輸層具有保證資訊能夠確切到達，而對資料訊框進行順序整理、錯誤修改；訊號 有缺損情況，請求再次發送訊號的功能。網際網路具代表傳輸層的協 定有 TCP(Transmission Control Protocol)、UDP(User Datagram Protocol )

通話層：為臨時預定通信路徑，以網路進行聯繫的通信協定間建立關係。建

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立這種關係，能更有效地進行資料交換。

表示層：上位的應用層的資料必須變換形式後透過網路進行傳輸。如：資料 壓縮、文字程式碼轉換、二進位資料的本文資料轉換等。表示層定義資料形式功 能。

應用層：利用網路通信，提供各式各樣的服務。

以下介紹 ZigBee 每一層概述：

實體層：無線通訊所需的相關物理性。如：頻率、頻道、調變方式、基本通 訊框構成。

MAC 層：規定電波直接送達範圍內，資訊應被準確傳輸。如：電波干擾等 原因導致通信發生錯誤，具有檢測錯、修改錯誤、再次發送資料訊號功能。在確 認接收到訊號，則 ACK 層具有回應功能。

網路層：利用網路管理和路由管理，規定網路內部的資訊傳輸方式。網路管 理指透過網路啟動、網路連接、網路位址的分配等，使節點能互相識別功能。電 波不能直接到達無線網路，有時須透過中間節點的中繼功能進行資料傳輸。網路 層具有路徑選擇功能，確保資料傳輸。

應用(支援子)層：網路層已確定了，節點之間的通訊路徑，一個節點有可能 會有多應用同時存在，因此需要相當 TCP 埠的應用的邏輯性的通訊路徑。應用(支 援子)層主要功能支援作為邏輯子頻道的終端。網路層能夠傳輸的資訊僅為一定 長度內的二進位資料有效載荷。使用者應用程式各式各樣，因而要求資料形式也 各不相同。從應用層發送的資料，轉換成網路層所要求形式後，即是該層工作。

該層還具有確認資料和再次請求發送功能。

應用層：方便建構應用程式。ZigBee 規範提供了設備物件(ZDO)。

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第三章 無線感測網路通訊模組系統架構

3.1 ZigBee 通訊模組電路系統架構

圖 3.1-通訊模組系統架構

由圖 3.1 得知，通訊模組系統主要架構可分為設計天、硬體電路、IC Firmware 三大方向。

CC2530 是一個 SoC 晶片，此系統為 IEEE 802.15.4，Zigbee and RF4CE 的 應用。它能建造強大網路節點和非常低成本。CC2530 結合了最佳 RF 傳送環境 和增強工業標準 8051 MCU，系統程式編輯 Flash 可達到 8-KB RAM，還有其他 強大功能。CC2530 有四種不同 flash 版本：CC2530F32/64/128/256 的 Flash 記憶 體分別為 32/64/128/256 KB。CC2530 有不同操作模式，這系統非常適合操作在 超低耗能模式。轉換時間和操作模式確保在低耗能之間。

領先同業和聯盟最結合 ZigBee 協議層(Z-Stack™)來自 TI，CC2530F256 提供 了強大和完整的 ZigBee 方案。

聯盟最高業內水平結合 RemoTI 層來自 TI，CC2530F64 提供一個強大和完 整 ZigBee RF4CE 是遠端控制方案。

圖 3.2-無線感測器設備構成

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圖 3.3-CC2530 方塊圖(1)

圖 3.4-CC2530 方塊圖(2)

(1) 8051 CPU：8051 在單一的封裝中提供很多功能（包括 CPU,RAM,ROM,輸入 輸出，中斷，時鐘等）。

(2) Flash：存儲器。暫時存儲資料地方。

(3) OSCILLATOR：是用來產生具有周期性的模擬信號（通常是正弦波或方波）

的電子電路。通常由放大電路、選頻網路組成。但是在 MCU 之中為心臟地 帶。

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(4) Voltage：輸出電壓為 2~3.6V。

圖 3.5-CC2530 方塊圖(3)

(5) 12Bit ADC 部分：ADC 即類比數位轉換器；ADC 經常用於通訊、儀器和測量 以及電腦系統中，可方便數位訊號處理和資訊的儲存。ADC 具備一些特性，

包括：a.類比輸入，可以是單通道或多通道類比輸入；b.參考輸入電壓，該電 壓可由外部提供，也可以在 ADC 內部產生；c.時脈輸入，通常由外部提供，

用於確定 ADC 的轉換速率；d.電源輸入，通常有類比和數位電源接腳；e.數 位輸出，ADC 可以提供平行或串列的數位輸出。

(6) UART、Timer：是一種非同步收發傳輸器，是電腦硬體的一部分，將資料由 串列通信與並行通信間作傳輸轉換。UART 通常用在與其他通訊介面（如 EIA RS-232）的連結上；在 8051 單晶片的內部有 2 個計時/計數器，可接收外界 輸入的驅動信號，而能產生一個輸出信號以供讀取外界輸入信號發生的次數。

如果這個外界輸入信號代表某一事件發生的次數，則計時/計數器即是在作事 件的計數；如果這個外界輸入信號是一個固定頻率的信號，則計時/計數器則 可用以作計算時間的工作。因此，8051 單晶片的計時/計數器，完全取決於驅 動信號的特質而定。

(7) 數位訊號處理是將訊號以數位方式表示並處理的理論和技術：數位訊號處理

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與類比訊號處理是訊號處理的子集。數位訊號處理的目的是對真實世界的連 續類比訊號進行測量或濾波。因此在進行數位訊號處理之前需要將訊號從類 比轉換到數位，這通常由數模轉換器實現。而數位訊號處理的輸出經常也要

變換到類比，這是通過數模轉換器實現的 。

3.2 通訊模組天線設計流程

圖 3.6-設計天線流程圖

先使用過某廠商通訊模組，實際測試結果，室內測試通訊距離大約為三十公 尺左右，因此，希望解決通訊的距離與通訊模組整體 Size。以下為設計天線流程：

A. 天線製作目標 Fc=2.45GHz，S11<-10dB。

B. 變換天線 Size，進行模擬步驟。(2.45GHz 下 Z0=48.04+j2.94Ω、S11=-21.63dB) C. 模擬完成後，下一步進行量測天線阻抗 (2.45GHz 下 Z0=48.84+j9.25Ω、

S11=-20.3dB)。

D. 辦別模擬是否與量測結果一致。如果一致進行下一步驟；相反，返回 D 步 驟，偵查哪邊環節有問題，確認與量測結果一致才可進行下一步。

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E. 確認一致，完成整個流程，即可測試其他功能。

3.3 通訊模組產品測試 Firmware 架構與功能

圖 3.7 產品測試 Firmware 流程圖

以下為程式流程說明：

1. 系統初始化：

−從 Flash 取出 Baud rata 設定值。

−設定 Baud rata。

−設定 ZigBee 的 UART 通訊埠

−程式的描述結構。

−按鍵事件。

−無線通訊事件

2. 按鍵或 UART 命令設定

− Binding/Rest。

−選擇 Baud rata 和 UART 設定。

−判斷是否為 UART 命令。

−不是 UART 命令在判別是否 Binding 成功。

−Binding 成功，則打包 UART 資料送到 RF 端，並判斷有無傳送成功，若無則

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會重傳。

−Binding 不成功則忽略不傳送。

3. 選擇通道(CH11~26)和通訊模式

−頻率從 2405Hz~24800Hz 每個頻道間隔 5Hz。

−通訊模式分別傳送模式和接收模式。

4. 接收模式−此步驟測試 RSSI 與 PER 結果。

−接收結果顯示 RSSI 接收訊號強度。

−PER/1000

5. 傳送模式−此步驟測試輸出功率與頻率。

−選擇輸出功率。

−選擇發送封包數目。

−選擇每秒發送封包綠。

−等待開始按鍵→則是開始發送資料→則否不發送資料。

−等待結束按鍵→則是傳送完畢→則否繼續發送資料。

22

第四章 ZigBee 通訊 IC-TI CC2530

4.1ELECTRICAL CHARACTERISTICS 4.1.1 Core current consumption

以下說明不同模式所耗掉電流不同：

NO

Digital regulator

CPU XTAL

RF /dBm

外部 設備

Flash RA

M

耗掉電流

1 ON Medium

16-MHz RCOSC /on

X ON 正常 X 3.4mA

2 ON Medium

32-MHz XOSC /on

X ON 正常 X 6.5~8.9mA

3 ON Idle

32-MHz XOSC /on

RX mode /-50

ON − − 20mA

4 ON Idle

32-MHz XOSC /on

RX mode /-100

ON − −

24.3~29.6 mA

5 ON Idle

32-MHz XOSC /on

TX mode /1

ON − − 28.7mA

6 ON Idle

32-MHz XOSC /on

TX mode /4.5

ON − − 33.5~39.6 mA

23

7 ON X

16-MHz RCOSC /on

32-MHz XOSC /off

32.768KHz XOSC/

Sleep Timer on

X − − reten tion

0.2~0.3mA

8 OFF X

16-MHz RCOSC /off

32-MHz XOSC /off

32.768KHz XOSC /

Sleep Timer on

X − − reten tion

1~2uA

9 OFF X X X − − reten

tion

0.4~1uA

表 4.1-Core current consumption

4.1.2 Peripheral Current Consumption

以下說明不同模式所耗掉電流不同：

Peripherals XTAL 耗掉電流

Timer1 ON 32-MHz XOSC/on 90uA

24

Timer2 ON 32-MHz XOSC/on 90uA

Timer3 ON 32-MHz XOSC/on 60uA

Timer4 ON 32-MHz XOSC/on 70uA

Sleep timer ON 32.768KHz XOSC/on 0.6uA

ADC ON 轉換時間 1.2mA

Flash ON

Erase

寫入尖峰電流

1mA 6mA 表 4.2- Peripheral Current Consumption

4.2 GENERAL CHARACTERISTICS

以下說明基本電器特性不同模式所耗掉電流不同：

Digital regulator

XTAL 耗掉電流

Power mode 1

→ active ON

16-MHz RCOSC/off 32-MHz XOSC/off 16-MHz RCOSC/start-up

4uA

Power mode 2 or 3

→ active

OFF

16-MHz RCOSC/off 32-MHz XOSC/off

16-MHz RCOSC、 regulator/start-up

0.1mA

Active → TX or RX−

16-MHz RCOSC/on 32-MHz XOSC/off 32-MHz XOSC/on

0.5mA 192uA

RX/TX and TX/RX turnaround

− − 192uA

表 4.3- General Characteristics

25

以下說明 RADIO 規範：

RADIO PART 規範

RF frequency range 2394~2507MHz Radio baud rate 250kbps

Radio chip rate 2MChip/s

Flash erase cycles 20kcycles

Flash page size 2KB

表 4.4- RADIO

4.3 CRYSTAL OSCILLATOR

4.3.1 32-MHz CRYSTAL OSCILLATOR

1. Crystal frequency 使用在 32MHz。

2.Crystal frequency accuracy 為這 Crystal 頻率準確度，範圍-40~+40ppm。

3.ESR Equivalent series resistance 為 Crystal 等效電阻，範圍 6~60KΩ。

4.C0 Crystal shunt capacitance- Crystal 並聯電容，規定範圍 1~7pF。

5.CL Crystal load capacitance-Crystal 負載電容，規定範圍 10~16pF。

6.Start-up time 為開始時間需要 0.3s。

7. Power-down guard time 為保護時間，Crystal 斷電後在保護時間之前須再次使用，

這情況適用於所有模式，隨時使用。

4.3.2 32.768-kHz CRYSTAL OSCILLATOR

1. Crystal frequency 使用在 32.768KHz。

2.Crystal frequency accuracy 為這 Crystal 頻率準確度，範圍-40~+40ppm。

3.ESR Equivalent series resistance 為 Crystal 等效電阻，範圍 40~130KΩ。

4.C0 Crystal shunt capacitance- Crystal 並聯電容，規定範圍 0.9~2pF。

5.CL Crystal load capacitance-Crystal 負載電容，規定範圍 12~16pF。

26

6.Start-up time 為開始時間需要 0.4s。

4.4UART

4.4.1 SPI

SPI(Serial Peripheral Interface−串列周邊介面) ，匯流排系統是一種同步串列 周邊介面，是 MCU 與各種週邊設備以串列方式進行通信、資料交換。SPI 匯流 排通常四個訊號線組成，即：SPI 的時脈信號由 Master 時資料輸入；當 Slave 時 資料輸出 (SCK)、當 Master 時資料輸出；當 Slave 時資料輸入 (MOSI)、當 Master 時資料輸入；當 Slave 時資料輸出(MISO)和從機選擇線(SSN)。

圖 4.1-典型 SPI 介面

PARAMETER 說明 範圍 單位

t1 週期 主要的 Tx，Rx 250 ns

副要的 Tx，Rx 250 ns

SCK 占空比 主要的 50%

t2 SSK 低到 SCK 主要的 63 ns

副要的 63 ns

t3 SCK 到 SSN 高電位 主要的 63 ns

副要的 63 ns

t4 MOSI early out 主要的負載 10pF 7 ns t5 MOSI late out 副要的負載 10pF 10 ns

t6 MISO setup 主要的 90 ns

27

t7 MISO hold 主要的 10 ns

SCK 占空比 副要的 50%

t10 MOSI setup 副要的 35 ns

t11 MOSI hold 副要的 10 ns

t9 MISO late out 副要的負載 10pF 95 ns

工作頻率 主要的，只有 Tx 8 MHz

主要的，Tx、Rx 4 MHz 副要的，只有 Rx 8 MHz 副要的，Tx、Rx 4 MHz

表 4.5- SPI

4.5ADC CHARACTERISTICS

圖 4.2-Single-ended 與 Differential

參考量測在 300Hz 輸入 sine-wave 和 VDD=3V。總諧波失真（total harmonic distortion, THD）是信號諧波失真的一項指標，表達為所有諧波成分功率之和與 基本頻率信號功率的比值。較低的總諧波失真使得音響、電子放大器或麥克風等 設備產生更加精確、較少諧波、與原始信號接近的輸出信號。

PARAMETER 說明 範圍 單位

輸入電壓 VDD 是對應 AVDD5 0~VDD V

外部參考電壓 VDD 是對應 AVDD5 0~VDD V

外部參考電壓差動 VDD 是對應 AVDD5 0~VDD V

輸入電阻 使用 4MHz，時脈數度 197 kΩ

全工作 峰值到峰值定義 0 dBFS 2.97 V

28

ENOB 有效位數 單端輸入，7 位元設置 5.7 bit

單端輸入，9 位元設置 7.5 bit

單端輸入，10 位元設置 9.3 bit

單端輸入，12 位元設置 10.8 bit

差動輸入，7 位元設置 6.5 bit

差動輸入，9 位元設置 8.3 bit

差動輸入，10 位元設置 10 bit

差動輸入，12 位元設置 11.5 bit

使用功率頻寬 單端與差動都 7 位元設置 0-20 kHz

THD 總諧波失真 單端輸入，12 位元設置

–6 dBFS

-75.2 dB

差動輸入，12 位元設置 –6 dBFS

-86.6 dB

非諧波比信號 單端輸入，12 位元設置 70.2 dB

差動輸入，12 位元設置 79.3 dB 單端輸入，112 位元設置

–6 dBFS

78.8 dB

差動輸入，12 位元設置 –6 dBFS

88.9 dB

CMRR 共模仰制比 差動輸入，12 位元設置。

1kHz 正弦波(0dBFS)，由 ADC 限制

>84 dB

Crosstalk 單端輸入，12 位元設置。

1kHz 正弦波(0dBFS)，由 ADC 限制

>84 dB

29

重置 中級 -3 mV

增益錯誤 0.68 %

DNL 非線性差動 12 位元設置，平均值 0.05 LSB

12 位元設置，最大值 0.9 LSB

INL 非線性積分 12 位元設置，平均值 4.6 LSB

12 位元設置，最大值 13.3 LSB

SINAD 信號雜訊與失真 單端輸入，7 位元設置 35.4 dB

單端輸入，9 位元設置 46.8 dB

單端輸入，10 位元設置 57.5 dB

單端輸入，12 位元設置 66.6 dB

差動輸入，7 位元設置 40.7 dB

差動輸入，9 位元設置 51.6 dB

差動輸入，10 位元設置 61.8 dB

差動輸入，12 位元設置 70.8 dB

轉換時間 7 位元設置 20 us

9 位元設置 36 us

10 位元設置 68 us

12 位元設置 132 us

功率消耗 1.2 mA

內部參考電壓 1.15 V

內部參考電壓 VDD 係數 4 mV/V

內部參考溫度係數 0.4 mV/10°C

表 4.6- ADC Characteristics (1)量測時輸入 300MHz 正弦波，VDD 作為參考電壓。

30

4.6RF Core

量測條件：T

_A

=25°C，VDD=3V，fc = 2440 MHz；量測數據範圍 T

_A

=–40°C to 125°C，VDD=2 V to 3.6 V and fc = 2394 MHz to 2507 MHz。

4.6.1 RF RECEIVE SECTION

PARAMETER 說明 範圍 單位

接收靈敏度 PER=1%如[1]所定義[1]-85dBm –97~ –92 dBm -88

飽和度(最大輸入水 平)

PER=1%如[1]所定義[1]-20dBm 10 dBm

鄰邊頻道仰制 5MHz(信號間隔)

期望信號-82dBm，鄰邊頻道仰制 5MHz，PER=1%如[1]所定義 [1]0dB

49 dB

鄰邊頻道仰制 -5MHz(信號間隔

期望信號-82dBm，鄰邊頻道仰制 -5MHz，PER=1%如[1]所定義 [1]0dB

49 dB

鄰邊頻道仰制 10MHz(信號間隔)

期望信號-82dBm，鄰邊頻道仰制 5MHz，PER=1%如[1]所定義 [1]30dB

57 dB

鄰邊頻道仰制 -10MHz(信號間隔

期望信號-82dBm，鄰邊頻道仰制 -10MHz，PER=1%如[1]所定義 [1]30dB

57 dB

頻道仰制

≥ 20 MHz

≤ –20 MHz

期望信號-82dBm，IEEE802.15.4 調變頻道，遍及所有頻道 2405 to 2480 MHz。PER=1%

57 dB

31

共信頻道 期望信號-82dBm，IEEE802.15.4 調變頻道，作為參考信號。

PER=1%

-3 dB

阻擾/靈敏度降低 5MHz 鄰近頻道 10MHz 鄰近頻道 20MHz 鄰近頻道 50MHz 鄰近頻道 -5MHz 鄰近頻道 -10MHz 鄰近頻道 -20MHz 鄰近頻道 -50MHz 鄰近頻道

期望信號靈敏度可在 3dB 以上，

CW 信號干擾 PER=1%。量測根據 EN 300 440 class 2。

-33 -33 -32 -31 -35 -35 -34 -34

dBm

雜散發射 每頻帶規定最大雜 散發射

30 MHz–1000 MHz 1 GHz–12.75 GHz

以50Ω 單端輸入信號進行量測。

適用符合 EN 300 328,EN 300 440, FCC CFR47 Part 15 and ARIB STD-T-66.

<

-80 -57

dBm

頻率容錯 最小要求 80 ppm ±150 ppm

信號速度容錯 最小要求 80 ppm ±1000 ppm

表 4.7- RF RECEIVE SECTION (1)接收端的信號中心頻率和負載震盪頻率之間差異。

(2)傳送 Symbol rate 和內部產生 Symbol rate 之間差異。

32

4.6.2 RF TRANSMIT SECTION

量測條件：TA=25°C，VDD=3V，fc = 2440 MHz；量測數據範圍 TA=–40°C to 125°C，VDD=2 V to 3.6 V and fc = 2394 MHz to 2507 MHz。

PARAMETER 說明 範圍 單位

額定輸出功率 根據50Ω 單端負載，通過最大輸出功率

設置。

[1]最小要求-3dBm

0 4.5 8

-8 10

dBm

程式設定輸出功率 範圍

32 dB

雜散發射 根據既定規定量 測。每頻帶規定最 大的雜散發射。

最大輸出功率設置

25 MHz−1000 MHz(限制頻帶之外) 25 MHz−2400 MHz(FCC 限制頻帶之 內)

25 MHz−1000 MHz(ETSI 限制頻帶之 內)

1800−1900 MHz(ETSI 限制頻帶之內) 5150−5300 MHz(ETSI 限制頻帶之內) 2 × fc and 3 × fc (FCC 限制頻帶之內) 2 × fc and 3 × fc (ETSI EN 300-440 and EN 300-328

1 GHz–12.75 GHz(限制頻帶之外) 2483.5 MHz 以上(FCC 限制頻帶) fc= 2480 MHz

-60 -60 -60

-57 -55 -42 -31

-53 -42

dBm

誤差向量幅度 (EVM)

按照[1]所定義量測，使用最大輸出功率 設置

2%

33

[1]要求最大 35%

最佳負載阻抗 從 RF 端的(RF_P and RF_N)往天線看的 阻抗

69+j29 Ω

表 4.8- RF TRANSMIT SECTION

[1] CC2530 參考設計符合 EN 300 328，EN 300 440，FCC CFR47 Part 15 and ARIB STD-T-66，CFR47 Part 15 and ARIB STD-T-66。

[2] 在傳遞的要求進行的三次諧波可以提高使用簡單的帶通濾波器連接之間的 匹配的同時，RF (1.8pF 並聯 1.6 nH );濾波器必須連接到一個良好的 RF 地面。

[3] FCC 規格要求 2483.5MHz 以上，在 2480MHz 發射功率需較低輸出功率或是 100% duty cycle。

4.6.3 RSSI

RSSI(Receive Signal Strength Indicator) 即為信號強度指示，是真實的接收信 號強度與最佳接收功率級別之間的差別。然而 RSSI 會受訊號反射、散射、繞射 等多重路徑衰減與遮蔽效應現象影響，實務上與距離並無明顯關係而無法利用。

量測條件：T

A

=25°C，VDD=3V。

1. RSSI 範圍 100dB

2. 未準確校正 RSSI/CCA，±4dB。

3. RSSI/CCA 重置

⁽¹⁾

4. Step 大小(LSB 數值)1dB。

(1) Real RSSI = Register value – offset

34

4.7 PIN DESCRIPTIONS

圖 5.3-CC2530 I/O Pin 示意圖

表 4.9-I/0 Pin 說明

PIN NAME PIN PIN TYPE DESCRIPTION

AVDD1 28 Power (analog) 2-V–3.6-V analog power-supply connection AVDD2 27 Power (analog) 2-V–3.6-V analog power-supply connection AVDD3 24 Power (analog) 2-V–3.6-V analog power-supply connection AVDD4 29 Power (analog) 2-V–3.6-V analog power-supply connection AVDD5 21 Power (analog) 2-V–3.6-V analog power-supply connection AVDD6 31 Power (analog) 2-V–3.6-V analog power-supply connection

DCOUPL 40 Power (digital) 1.8-V digital power-supply decoupling. Do not use for supplying external circuits.

DVDD1 39 Power (digital) 2-V–3.6-V analog power-supply connection DVDD2 10 Power (digital) 2-V–3.6-V analog power-supply connection

GND 1,2,3,4 Unused pins Connect to GND

P0_0 19 Digital I/O Port 0.0

P0_1 18 Digital I/O Port 0.1

P0_2 17 Digital I/O Port 0.2

P0_3 16 Digital I/O Port 0.3

P0_4 15 Digital I/O Port 0.4

P0_5 14 Digital I/O Port 0.5

P0_6 13 Digital I/O Port 0.6

P0_7 12 Digital I/O Port 0.7

P1_0 11 Digital I/O Port 1.0 – 20-mA drive capability P1_1 9 Digital I/O Port 1.1– 20-mA drive capability

P1_2 8 Digital I/O Port 1.2

P1_3 7 Digital I/O Port 1.3

P1_4 6 Digital I/O Port 1.4

P1_5 5 Digital I/O Port 1.5

P1_6 38 Digital I/O Port 1.6

P1_7 37 Digital I/O Port 1.7

P2_0 36 Digital I/O Port 2.0

P2_1 35 Digital I/O Port 2.1

P2_2 34 Digital I/O Port 2.2

P2_3

XOSC32K_Q2 33 Digital I/O,

Analog I/O Port 2.4/32.768 kHz XOSC P2_4

XOSC32K_Q1 32 Digital I/O,

Analog I/O Port 2.3/32.768 kHz XOSC

RBIAS 30 Analog I/O External precision bias resistor for reference current RESR_N 20 Digital input Reset, active-low

RF_N 26 RF I/O Negative RF output signal from PA during TX RF_P 25 RF I/O Positive RF output signal from PA during TX XOSC_Q1 22 Analog I/O 32-MHz crystal oscillator pin 1 or external-clock inpu

XOSC_Q2 23 Analog I/O 32-MHz crystal oscillator pin 2

35

第五章 ZigBee 通訊模組周邊電路

圖 5.1- TI CC2530 周邊電路介紹 IC 周邊電路分為 Balun 與 Crystal 電路。以下分別介紹：

5.1Balun 簡介

巴倫(Balance line to unbalance line transition)是平衡不平衡轉換器的英文音 譯，按天線理論，偶極天線屬平衡型天線，而同軸電纜屬不平衡傳輸線，若將其 直接連接，則同軸電纜的外皮就有高頻電流流過（按同軸電纜傳輸原理，高頻電

流應在電纜內部流動，外皮是遮罩層，是沒有電流的），就會影響天線的輻射。

本論文 Balun 設計為 lattice-type 由兩個電容兩個電感製作(圖 5.2)，產生相位

±90 度相移。使用 L-C Balun 在於成本考量，利用傳輸線與 L-C 匹配方式，來達 到設計目標。

圖 5.2-Balun 電路方塊圖

36

5.1.1Balun 模擬

圖 5.3-Balun 架構圖

ω=2πf=2 × 3.14 × 2.45 × 10

⁹

=15.386× 10

⁹

，Zc=√Ri × RL，L=

^𝑍𝑐 _𝜔

，C=

¹

𝜔𝑍𝑐

。 Ri=輸入阻抗，RL=輸出阻抗。假設 Ri=100Ω、RL=50Ω 利用公式帶入，求得 Zc= √100 × 50 =70.7Ω ， L=

_15.386×10 ^70.7 ₉

=4.6 × 10

⁻⁹

=4.6nH ，

C=

_15.386×10 ¹ _{9 ×70.7}

=

_1087.8×10 ¹ ₉

= 9.19× 10

⁻¹⁴

=0.92× 10

⁻¹²

=0.92pF。求得電感和電容 值，模擬 Ideal 電路。

圖 5.4-計算模擬值

模擬理想電路(Balun)，2.45GHz 下 Z

0

=100Ω，S11=-38.7dB，雖然條件都 符合，使得頻寬太寬，2 到 3GHz 都可使用，造成其他頻率雜訊干擾，需要改 善頻寬問題。

freq (2.000GHz to 3.000GHz)

S (1 ,1 )

2.067E9 0.064 / 110.608 m1

m1 freq=

S(1,1)=0.011 / 163.477 impedance = 97.818 + j0.640

2.450GHz

2.2 2.4 2.6 2.8

2.0 3.0

-35 -30 -25

-40 -20

freq, GHz

d B (S (1 ,1 ))

Readout m2

m2 freq=

dB(S(1,1))=-38.788 2.450GHz

37

圖 5.5-Balun

利用上述公式求得，CC2530 最佳負載阻抗為 69+j29，Ri=69Ω、RL=50Ω 利 用 公 式 帶 入 ， 求 得 Zc=√69 × 50 =58.7Ω ， L=

_15.386×10 ^58.7 ₉

=3.8× 10

⁻⁹

=3.8nH ，

C=

_15.386×10 ¹ _{9 ×58.7}

=

_903.2×10 ¹ ₉

=1.1× 10

⁻¹²

=1.1pF。求得電感和電容值，計算值進行 模擬。

圖 5.6-理想電路模擬值(Balun)

計算值模擬(Balun)結果，2.45GHz 下 Z

0

=69Ω S11=-59.89dB，雖然條件都 符合，使得頻寬太寬，2 到 3GHz 都可使用，造成其他頻率雜訊干擾，需要改 善頻寬問題。

freq (2.000GHz to 3.000GHz)

S (1 ,1 )

2.067E9 0.064 / 110.608 m1

m1 freq=

S(1,1)=0.001 / 49.724 impedance = 69.090 + j0.107

2.450GHz

2.2 2.4 2.6 2.8

2.0 3.0

-60 -50 -40 -30

-70 -20

freq, GHz

d B (S (1 ,1 ))

Readout m2

Readout m3

m2 freq=

dB(S(1,1))=-59.891 2.450GHz m3 freq=

dB(S(1,1))=-63.627 2.462GHz

38

以下依照實際電路進行模擬：

圖 5.7-實際電路(Balun)

使用 TI 提供應用電路架構，進行模擬。傳輸線與元件匹配，達到最終目標 最佳負載阻抗為69+j29Ω。

圖 5.8-Balun(實際電路模擬)

圖 5.9 實際電路模擬

39

模擬 Balun 電路，模擬結果中心頻率為 2.44GHz→Z

₀

=66.0+j14.48Ω，但 2.45 GHz→Z

0

=47.58+j22.5Ω，而|S11|<1/3(綠色圓圈)，此數據可使用。S11<-10dB 以 下的頻寬為 40MHz。

雖然條件都符合，但頻寬的使用範圍太窄，實際測試希望可改善此問題。

5.1.2Balun 實測結果

利用模擬結果零件數據，套用在實際量測電路，進行量測。以下為量測結果：

圖 5.10-實測電路(Balun)

圖 5.11-實測電路結果(Balun)

量測結果與模擬數據有些差異，利用零件調整後，量測結果在中心頻率為 2.44GHz→Z

0

=63.05+j28.99Ω，但 2.45GHz→Z

0

=55.24+j28.19Ω，與目標 69+j29Ω 雖然有些差距，但|S11|<1/3 範圍內(綠色圓圈)。S11<-10dB 以下頻寬為 120MHz (2.39−2.51GHz)，此數據匹配成功。

40

5.2 Crystal Resonator

圖 5.12- Crystal Resonator

外部振盪器 32 MHz(綠色虛線)，XTAL1 提供两個负载电容（C221 和 C231 為 27pF）用於 32 MHz 晶体振荡器。XTAL2 是一個可選的 32.768 KHz(紅色虛線)，

用於 32.768 kHz 的两個负载电容（C321 和 C331 為 15pF）晶体振荡器。32.768 KHz 用於在應用程序都非常低的睡眠电流消费和準確換喚醒時間是必要的。

41

5.3 ZigBee 通訊模組周邊 I/O

圖 5.13-通訊模組周邊 I/O 以下為 ZigBee 通訊模組周邊 I/O Pin 說明：

Pin NO

Pin Functions Signal

Type

Description Primary Alternate Functions

1 GND 0V Power Ground

2 GND 0V Power Ground

3 GND 0V Power Ground

4 P2-2 DC Digital I/O Port2-2, Debug CLK

5 P2-1 DD Digital I/O Port2-1, Debug DATA

6 P2-0 Digital I/O Port2-0

7 P1-7 RXD1 SPI_MISO1 Digital I/O Port1-7/RXD1/SPI_MISO1 8 P1-6 TXD1 SPI_MOSI1 Digital I/O Port1-6/TXD1/SPI_MOSI1 9 P1-5 RTS1 SPI_SCK1 Digital I/O Port1-5/RTS1/SPI_SCK1 10 P1-4 CTS1 SPI_SS1 Digital I/O Port1-4/CTS1/SPI_SS1

11 P1-3 Digital I/O Port1-3

42

12 P1-2 Digital I/O Port1-2

13 P1-1 Digital I/O Port1-1 20mA drive capability

14 GND 0V Power Ground

15 GND 0V Power Ground

16 P1-0 Digital I/O Port1-0 20mA drive capability

17 P0-7 Digital I/O Port0-7

18 P0-6 Digital I/O Port0-6

19 P0-5 RTS0 SPI_SCK0 Digital I/O Port0-5/RTS0/SPI_SCK0 20 P0-4 CTS0 SPI_SS0 Digital I/O Port0-4/CTS0/SPI_SS0 21 P0-3 TXD0 SPI_MOSI0 Digital I/O Port0-3/TXD0/SPI_MOSI0 22 P0-2 RXD0 SPI_MISO0 Digital I/O Port0-2/RXD0/SPI_MISO0

23 P0-1 Digital I/O Port0-1

24 P0-0 Digital I/O Port0-0

25 Reset Digital input Active-Low

26 VDD 3.3V Power Power Supply 2.8V~3.6V

27 VDD 0V Power Power Supply 2.8V~3.6V

28 GND 0V Power Ground

表 5.1-通訊模組周邊 I/O Pin

43

第六章 通訊模組天線設計

6.0 Planar Inverted-F Antenna (PIFA)簡介

使用傳統倒 F 型單極天線設計主要原因，直接實現於單一平面的玻璃纖維 基板上，達到製作簡單及小型化目的。頻帶的頻率設計上，藉由調整輻射金屬線 長度和寬度達到所設計的頻段，藉由 Fit 位置或接地線位置的調整，達到輸入阻 抗的匹配。因此，使用 F 型單極天線可簡化製作的程序及降低製作成本，將是另 一個小型化不錯選擇。

6.1 PIFA 天線模擬 6.1.1 天線模擬步驟

圖 6.1 天線設計模擬環境(λ/4)

真空 中 2.45GHz 下的 λ/4 長度為 1204.722mil 。λ

_*

f=c ， λ= c/f = 3

*

10

⁸

/2.45

*

10

⁹

=0.1224M =12.24cm =4818.88mil。長度少於 λ/4 時，近場與遠電場問題。

金屬材質離真空中的 Box 距離有 λ/4 長度時，遠電場呈現開路狀態，訊號不反射；

此時，近場信號不受遠場影響，近場不會形成另一個天線，影響量測結果。

44

圖 6.2- PIFA 天線外觀與等效電路

綠色虛方框形成電容性，可看似成電容。藍色虛方框形成電感性，可看成電 感。利用此天線特性設計所需天線。調整天線阻抗，利用等效電路特性進行調整 到所需數值。舉例：調整到 2.45GHz 阻抗為 50Ω，利用等效電路特性進行調整。

圖 6.3- PIFA 天線模擬(1)

圖 6.4-得知天線 Size，模擬結果 2.45GHz 在於黑色圓圈位置 (圖 6.5)，分析 結果此天線電感性較強，減少電感性問題此天線即可使用。改善電感性問題為更 變 Fit 點的寬度變寬或是天線總高度變短，即可解決。

圖 6.4- PIFA 天線模擬數據(2)

縮短總高度，模擬結果 2.45GHz 在於黑色圓圈位置 (圖 6.7)，改善電感性問

45

題為更變天線總高度變短，因此改善過多電感性，最後再稍做微調天線 Size，即 可匹配到50Ω。

圖 6.5- PIFA 天線模擬數據(3)

微調總高度。模擬結果 2.45GHz 在於黑色圓圈位置 (圖 6.9)，微調天線總高

度變短，達到目標阻抗50Ω。匹配天線阻抗，利用天線等校電路特性，分析電路

物理意義，再進行天線匹配動作，減少模擬時間。先得知物理意義，匹配時間快 速許多。

圖 6.6-Solution Data

模擬結果的數據未必是可以使用，要先觀看 Solution Data 數值，是否有收斂 平穩狀態，如有收斂狀態，此數據才可採用。由圖 6.10 為例 Data S(S 參數收斂 準確度)設定為 0.015，在第八次(紅色虛線表示)之後才有收斂平穩的狀態。

46

模擬天線首要條件會使用 HFSS 軟體，以下軟體參數設定 Cable Size。

Cable Material Material Size(mm) Relative Permittivity

火線 Copper 0.145±0.0127 1

鐵氟龍(介質) Teflon 0.46±0.0254 2.1 金屬(外徑) Copper 0.56+0.0258

0.57-0.0254

1

電路板 FR4 1.6 4.4

表 6.1-Cabel Size 設定

參數 單位

Frequency Start 2 GHz

Frequency end 3 GHz

Sweep Type Linear X

Solution Frequency 2.45 GHz Max. Number of Passes 20 次

Max. Delta Energy 0.01 準確度

表 6.2- HFSS 設定

HFSS( 表 6.2) 和 Cable( 表 6.1) 參 數 設 定 完 成 。 設 定 收 斂 分 析 (Solution Frequency)中心頻率(2.45GHz)，收斂分析最多只計算幾次，Maximum Delta S(S 參數收斂準確度) =0.01，確認確定後進行模擬動作。

47

6.1.2 PIFA 天線設計與模擬結果

圖 6.7-七號天線 Size

七號天線使用 1.6mmTarget Broad，GND pad size 1400

*

1200mil。上述說明 λ/4 問題，在模擬時注意，真空中的 Box 離邊界的金屬介質的距離為 λ/ 4 (1500mil)。

圖 6.8- Solution Data(七號)

上述描述數據採用的條件，而七號天線模擬結果，Data S(S 參數收斂準確度) 設定為 0.01，在第八次(紅色虛線表示)之後才有收斂平穩的狀態，模擬數據可以 採用。

圖 6.9-七號天線模擬結果

48

七號天 線模 擬結 果 ， 中心頻 率為 2.44GHz → Z

₀

=48+3Ω，2.45GHz → Z

0

=42.7+3.7Ω。雖然 2.45GHz 不為中心頻率，但是|S11|<1/3 內(綠色圓圈)。

S11<-10dB 以下頻寬為 110MHz，此數據即可使用。

圖 6.10-八號天線 Size

八號天線使用 1.6mm Target Broad，GND Pad 1400*1200mil。最邊界的金屬 介質，要離 Box 距離為 λ/4(1500mil)。

圖 6.11- Solution Data(八號)

上述描述數據採用的條件，而七號天線模擬結果，Data S(S 參數收斂準確度) 設定為 0.01，在第八次(紅色虛線表示)之後才有收斂平穩的狀態，模擬數據可以 採用。

49

圖 6.12-八號天線模擬結果

八 號 天 線 的 模 擬 結 果 中 心 頻 率 為 2.44GHz→Z0=47.6+0.12Ω ， 但 2.45GHz→Z0=42.5+0.1Ω。雖然 2.45GHz 不為中心頻率，但是|S11|<1/3 內(綠 色圓圈)。S11<-10dB 以下頻寬為 110MHz，此數據即可使用。

6.1.3 PIFA 天線輻射場型模擬結果分析

圖 6.13-定義天線方向

首先，定義天線方向，與天線平行方向為 X，Fit 點進入方向為 Y，與電路 板垂直為 Z 方向。

圖 6.14- PIFA 天線的特性

50

(a)Slot 天線特性-紅色箭頭為電場輻射方向，Slot 天線最怕遇到與電路 Y 方 向 short 平行，-X 方向輻射較弱。

(b)Dipole 天線特性-紅色箭頭為電場輻射方向 Dipole 天線最怕遇到與電路的 GND 平行時，-Y 方向輻射較弱。

圖 6.15- YZ 平面(E-Plan)與對照圖

=0 到 90 角度輻射，E 

都為 E

_x

，皆為 Dipole 電場輻射，E

_

在(+Y)輻射較強，

Gain=-5dB；E



在(-Y)輻射較弱，Gain=-8dB。=0 角度輻射，E



為 E

y

，屬 Slot 電 場輻射，E

_

在(-Z)輻射較強，Gain=0dB；=90 角度輻射，E



為 Ez，無此方向電 場輻射，Gain<-30dB。

圖 6.16- XZ 平面(H-Plan)與對照圖

51

=0 到 90 角度輻射，E 

都為 E

y

，皆為 Slot 電場輻射，E



在+X 輻射最強 Gain=1dB；-X 輻射較弱 Gain=-7dB。=0 角度(+Z)輻射，E



為 Ex，屬 dipole 電 場輻射，Gain=-8dB；

=90 角度輻射，E 

為 Ez，無此方向電場輻射，Gain<-30dB。

圖 6.17- XY 平面與對照圖

 =0 到 90 角度輻射，E 

為 E

z

，無此方向電場輻射，Gain<-24dB。=0 角度 (+X)輻射，E

_

為 E

_y

，屬 Slot 電場輻射，Gain=0dB；=-180 角度(-X)輻射，E



為 E

y

，屬 Slot 電場輻射被 short section 阻擋，Gain=-7~-14dB。

=90 角度(+Y)輻射，

E

_

為 E

_x

，屬 Dipole 電場輻射，Gain=-5dB；

=-90 角度(-Y)輻射，E 

為 E

_x

，屬 Dipole 電場輻射，被 GND 阻擋，Gain=-7dB。

圖 6.18-3D Radiation Pattern

設計出的 PIFA 天線，天線輻射具有方向性。由圖 6.29 得知色階，越往紅色 輻射強度越強，越往藍色輻射強度越低，得知輻射強度較強為+X(C 所示)，-X(A

52

所示)與-Y(B 所示)輻射強度較弱。在放置天線位置前，考慮此方向天線輻射強 度。

圖 6.19-2D 與 3D Radiation Pattern(E-Plane)

介紹 E-Plane 中，2D Radiation Pattern 得知輻射強度較強為-Z 方向(黑色圓點)，

經由 Dipole 電場輻射；配合 3D Radiation Pattern 對照，在輻射強度較強為-Z 方 向。

圖 6.20-2D 與 3D Radiation Pattern(H-Plane)

介紹 H-Plane 中，2D Radiation Pattern 得知輻射強度較強為+X 方向(黑色圓 點)，經由 Slot 電場輻射；配合 3D Radiation Pattern 對照，在輻射強度較強為+X 方向。

53

圖 6.21-2D 與 3D Radiation Pattern(XY-Plane)

介紹 XY-Plane 中，2D Radiation Pattern 得知輻射強度較強為+X 方向(黑色圓 點)，經由 Slot 電場輻射；配合 3D Radiation Pattern 對照，在輻射強度較強為+X 方向。

6.2 天線實測

6.2.0 天線測試儀器 setup

圖 6.22-儀器 Step 架構圖與實測

測量待測物之前，執行儀器設定和校正步驟。以下為儀器設定：

參數 單位

Power 0 dB

Frequency Start 2 GHz

54

Frequency end 3 GHz

Sweep Type Linear X

Number of point 801 X

Average step 50 X

表 6.3 儀器設定參數

設計天線所觀察 2.45GHz 頻率，Frequency 範圍 設定為 2~3GHz，頻率範圍 依所需觀察頻率點設定，未必設定 2~3GHz；Number of point 401、801、1201....

等不同型態，而越細緻校正越精密，但校正時間較長；Average step 越多次校正 越精準確，缺點為校正時間較長。

6.2.1 測量七號與八號 PIFA 天線

圖 6.23-七號天線 Size 與八號線 Size

圖 6.24-七號、八號天線量測與 Gnd pad size

利用模擬條件下，設計出七號與八號天線 Size 與工作頻率。設計七號與八 號天線所使用 Target board 和 GND pad size 為 1400mil*1200mil(白色箭頭)。量測

55

七號與八號天線時，都放入 Shielding chamber 進行量測，避免周圍環境干擾。

圖 6.25-七號天線量測結果

實測七號天線結果，中心頻率為2.45GHz→Z0= 48.84+j9.25Ω，|S11|<1/3 內(綠 色圓圈)。S11<-10dB(黑色實線所示)以下頻寬為 120MHz。設計結果符合當初設 定目標，設計成功。

圖 6.26-八號天線量測結果

實測八號天線結果，中心頻率為 2.43GHz→Z0= 52.445+j6.108Ω，但 2.45GHz→Z0= 48+j9.2Ω，|S11|<1/3 內(綠色圓圈)。S11<-10dB(黑色實線所示)以 下頻寬為 120MHz。設計結果符合當初設定目標，設計成功。

56

6.2.2 測量 IPEX 接頭對天線之影響

圖 6.27-IPEX 電路圖與實際圖

由圖 6.27 中得知圖一-Plug(B)未接上時，A、C 兩端接通。圖二-Plug(B)接上 時，A、B 兩端接通， A、C 兩端段開。圖三-IPEX 接頭腳位示意圖。

圖 6.28-PCB layout

由圖 6.28 得知白色方框為 IPEX 接頭，在 PCB 版上相對位置。電路 Layout 時，須注意鋪地部分(黑色方框所示)；在 IPEX 接頭正下方的位置(黑色方框)，第 一、二層是不用鋪地，直接看到第三層的鋪地(白色方框所示)。

圖 6.29-校正(THUS)

加入 IPEX 接頭，接下校正正確後，才進行量測 IPEX 接頭 Insertion loss 。

57

圖 6.30-校正(THUS)

校正結果，THUS 量測結果 S21=-0.071、S11=-24.471dB、S22=-25.1dB，未 有反射信號通過，可進行下一步量測。

圖 6.31-IPEX 接頭與(IPEX 接+Cable)loss

圖 6.32- 量測 IPEX 接頭與(IPEX 接+Cable)loss

2.2 2.4 2.6 2.8

2.0 3.0

-12.0 -9.0 -6.0 -3.0

-15.0 -0.8

freq, GHz

dB(S(2,1))

2.450G -2.483 m1

m1 freq=

dB(S(2,1))=-1.460 2.450GHz

58

圖 6.33-IPEX 接頭未焊接

圖 6.34-八號天線+IPEX 接頭(紅色方框)

由圖 6.34 得知 IPEX 雖會影響天線阻抗，但 2.45GHz 的|S11|< 1/3 (綠色圓圈 所示)，所以在使用 IPEX 接頭時，無須擔心影響天線阻抗因素。

59

6.3 模擬和實測比較-七號與八號天線

圖 6.35-七號天線模擬量測比較(Smith Char)

七號天線模擬數據和量測數據比較，在 2.45GHz 天線阻抗模擬與實測結果，

模擬值 Z

₀

=48.04+j2.94Ω、量測值 48.084+j9.25Ω，此數據的|S11|<1/3(為綠色圓圈 所示)，擬和量測數據差距不大且相互呼應。低頻部分幾乎相對應，高頻部分數 據有些誤差，設計成功。

圖 6.36-七號天線模擬量測比較(S11)

七號天線模擬數據和量測數據比較，S11<-10dB 以下頻寬模擬與實測結果模 擬值為 110MHz、量測值為 120MHz，中心頻率模與實測值為 2.44GHz，因此模 擬和量測數據差距不大且相互呼應，設計成功。

60

圖 6.37-八號天線模擬量測比較(Smith Char)

八號天線模擬數據和量測數據比較，在 2.45GHz 天線阻抗模擬與實測結果，

模擬值 Z

₀

=42.5+j0.98Ω、量測值 48+j8.25Ω，此數據的|S11|<1/3(為綠色圓圈所示)。

低頻部分幾乎相對應，高頻部分數據有些誤差，模擬和量測數據互相呼應，設計 成功。

圖 6.38-八號天線模擬量測比較(S11)

八號天線模擬數據和量測數據比較，S11<-10dB 以下頻寬模擬與實測結果模 擬值為 110MHz、量測值為 120MHz。中心頻率模擬值為 2.44GHz、實測值為 2.43GHz，因此模擬和量測數據差距不大且相互呼應，設計成功。

由上述得知，模擬和實際量測數據幾乎一樣。在互相比較前提，以相同條件 互相比較的數據才有意義。設計天線前，利用 HFSS 軟體先進行模擬，設計成本 相較低，比對結果模擬和實測數據差距不大。所以，模擬設計目標，再進行電路 製作，製作電路成本降低非常多。由上述得知，HFSS 所模擬數據幾乎與實際測 試數據一致，設計天線時，HFSS 軟體的數據參考價值非常大。

61

第七章 ZigBee 通訊模組系統實測

7.0 儀器(頻譜)操作設定

以下為頻譜分析儀幾個基本設定的參數：

(A) 頻率顯示的範圍：顯示頻率的範圍可以經由設定開始頻率和截止頻率(也就 是頻率的最大值與最小值)，或者也可以設定想要的中心頻率再設定所要展開的 頻寬。

(B) 位準所顯示範圍：設定此範圍有助於最大位準的顯示與間距，以圖 1-6 為 例，參考位準設為-20dBm 而總範圍為 80dBm(一格 10dB)。

(C) 頻率的解析度：當頻譜分析儀以外差式原理來操作的話，頻率的解析度是 由 IF Filter 的頻寬來設定的，也就是上面所提到的 RBW。

(D) 掃描時間(Sweep Time)：這主要針對外差式頻譜分析儀設定。這是指紀錄我 們所要全部頻率範圍所需的時間，稱為 Sweep Time。如果我們希望得到 較小的解析頻寬，則所花的 Sweep Time 就會變長。

圖 7.1-不同的 RBW 與雜訊位準關係

解析頻寬(Resolution Bandwidth，RBW)濾波器：RBW 濾波器也稱中頻濾波 器，它的作用是將 RF 頻率與本地振盪頻率相減的信號，也就是所謂的 IF 信號，

由混頻器產生的眾多頻率中過濾出來，依不同選擇決定 3dB 頻寬的 RBW 濾波器。

62

由圖圖 7.x 中可看出，RBW 設定的頻寬的寬度愈小，所觀察到的頻率分佈就越 細微，也降低了雜訊位準。

圖 7.2-VBW

視訊頻寬(Video Bandwidth，VBW)：中頻振幅的直流偏壓送到螢幕之前，還 要經過視訊濾波器。它是一個低通濾波器，可將螢幕的垂直偏壓變化變的比較平 緩(紅色虛方框所示)。

7.1 CW Signal Output Power & Frequency Testing

圖 7.3-CW signal output power & frequency 量測步驟

量測 CW signal output power & frequency 時→先燒入測試程式→經由 PC 端 下指令(USB 介面)→到 TI SmartRF05EB 測試電路板裡含有 MCU 8051→傳送到 RF 晶片(TI CC2530)→傳送訊號利用 50Ω coaxial cable→傳送到頻譜分析儀。

63

以下測試數據為 TX power=4.5dBm，頻率-2.45GHz：

NO

4.5 2.5 1 -0.5 -1.5 -3 1 儀器顯示值 1.97 0.56 -0.87 -2.16 -3.34 -4.92

實際輸出功率 3.43 2.02 0.59 -0.7 -1.88 -3.46

2 儀器顯示值 1.56 -0.21 -1.83 -3.2 -4.11 -5.77 實際輸出功率 3.02 1.25 -0.37 -1.74 -2.65 -4.31

3 儀器顯示值 2.12 -0.05 -1.92 -3.36 -3.78 -5.37 實際輸出功率 3.58 1.41 -0.46 -1.9 -2.32 -3.91

4 儀器顯示值 1.03 -0.88 -2.57 -4.01 -5.19 -6.89 實際輸出功率 2.49 0.58 -1.11 -2.55 -3.73 -5.43

NO -4 -6 -8 -10 -12 -14

1 儀器顯示值 -6.77 -7.97 -9.55 -11.3 -13.39 -15.73 實際輸出功率 -5.31 -6.51 -8.09 -9.84 -11.93 -14.27

2 儀器顯示值 -7.55 -8.76 -10.43 -12.16 -14.28 -16.63 實際輸出功率 -6.09 -7.3 -8.97 -10.7 -12.82 -15.17

3 儀器顯示值 -7.26 -8.5 -10.1 -11.92 -14.07 -16.49 實際輸出功率 -5.8 -7.04 -8.64 -10.46 -12.61 -15.03

4 儀器顯示值 -8.63 -9.9 -11.47 -13.19 -15.22 -17.52

64

實際輸出功率 -7.17 -8.44 -10.01 -11.73 -13.76 -16.06

NO -16 -18 -20 -22

1 儀器顯示值 -18.12 -19.73 -21.83 -23.42 實際輸出功率 -16.66 -18.27 -20.37 -21.96

2 儀器顯示值 -19.03 -20.66 -22.75 -24.27 實際輸出功率 -17.57 -19.2 -21.29 -22.81

3 儀器顯示值 -18.96 -20.58 -22.66 -24.59 實際輸出功率 -17.5 -19.12 -21.2 -23.13

4 儀器顯示值 -19.81 -21.35 -23.41 -24.89 實際輸出功率 -18.35 -19.89 -21.95 -23.43

表 7.1-CW signal output power

圖 7.4-CW signal output power

編號 1 號，所有 SMD 元件都為機械作業；編號 2、3、4 的 IC 與 XTAL 此 兩原件為人工手焊，其餘 SMD 原件為機械作業。

編號 1 號實測結果，傳送輸出功率的數值與實際輸出功率相互比較，因為傳 輸線與被動元件的衰減，造成傳送與實際測量輸出功率相差 0.4dB。

65

IC 與 XTAL 此兩原件為人工手焊，量測結果有些差距，編號 2 大約相差 1.2dB、

編號 3 大約相差 1dB、編號 4 大約相差 2dB。只要 SMD 元件為機械作業，傳送 與實際測量輸出功率誤差值並不會太大的差異。

量測 CW signal output power 與頻率得知，Balun 電路設計成功，傳送與實際 測量輸出功率大約差異 0.4dB 左右。

圖 7.5-NO.1 與 NO.2 (4.5dBm)

以上數據 NO.1=1.97dBm，加上 Cable loss1.46 dB，實際輸出功率為 3.43dBm。

NO.2=1.56dBm，加上 Cable loss1.46 dB，實際輸出功率為 3.02dBm。實得頻率量 測為 2.449GHz。

圖 7.6-NO.1 與 NO.2 (2.5dBm)

以上數據 NO.1=0.56dBm，加上 Cable loss1.46 dB，實際輸出功率為 2.02dB。

NO.2=-0.21dBm，加上 Cable loss1.46 dB，實際輸出功率為 1.25dB。實得頻率量 測為 2.449GHz。

A

Ref 5 dBm Att 30 dB *

100 kHz/

Center2.449883013 GHz Span1 MHz

*

*

3DB RBW 5 kHz

VBW 10 kHz SWT 50 ms

1 PK MAXH

*

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

1

Marker 1 [T1 ] 1.97 dBm 2.449873397 GHz

Date: 7.AUG.2012 18:20:25

A

Ref 5 dBm Att 30 dB *

100 kHz/

Center2.449883013 GHz Span1 MHz

*

* RBW 5 kHz VBW 10 kHz SWT 50 ms

*

1 PK MAXH

3DB

*

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

1

Marker 1 [T1 ] 0.56 dBm 2.449873397 GHz

Date: 7.AUG.2012 18:23:28

A

*

* RBW 5 kHz VBW 10 kHz SWT 50 ms

3DB

Ref 5 dBm Att 30 dB *

Center2.449883013 GHz 100 kHz/ Span1 MHz

1 PK MAXH

*

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0

1

Marker 1 [T1 ] -0.21 dBm 2.449883013 GHz

Date: 7.AUG.2012 19:12:23