藍牙測試項目

藍牙測試項目

下面介紹一些適用于藍牙設(shè)備RF部分的測試。

功率──輸出放大器是一個選件，有這種選件無疑可提升I類(+20dBm)輸出放大器的輸出功率。雖然對電平精度指標(biāo)不作要求，但應(yīng)避免過大的功率輸出，以免造成不必要的電池耗電。
無論設(shè)計提供的功率是+20dBm還是更低，接收器都需要有接收信號強度指示，RSSI信息允許不同功率設(shè)備間互相聯(lián)系，這類設(shè)計中的功率斜率可由控制放大器的偏置電流實現(xiàn)。
與其它TDMA系統(tǒng)如DECT或GSM不同，藍牙頻譜測試并不限于單獨的功率控制和調(diào)制誤差測試，它的測量間隔時間必須足夠長，以采集到斜率和調(diào)制造成的影響。在實際中這不會影響認證，時間選通測量由于能迅速確定缺陷，具有很高的價值。有些設(shè)計在調(diào)制開始前使用未經(jīng)指定的周期，這通常用于接收器的準(zhǔn)備。

頻率誤差──藍牙規(guī)范中所有頻率測量選取較短的4微秒或10微秒選通周期，這樣會造成測量結(jié)果的不定性，可從不同的角度進行理解。首先，窄的時間開口意味著測量帶寬截止頻率較高，會把各類噪聲引入測量；其次應(yīng)考慮誤差機制，如在短間隔測量中，來自測量設(shè)備的量化噪聲或振蕩器邊帶噪聲將占較大百分比，而較長測量間隔中這些噪聲影響會被平均掉。因此設(shè)計范圍要考慮這一因素，它應(yīng)超過參考晶振產(chǎn)生的靜態(tài)誤差。

頻率漂移──漂移測量將短的10位相鄰數(shù)據(jù)組和跨越脈沖的較長漂移結(jié)果結(jié)合在一起。如果在發(fā)送器設(shè)計中用了采樣-保持設(shè)計，就可能出現(xiàn)這一誤差。對其它類型設(shè)計，在波形圖上可觀察到像紋波一樣的有害4kHz至100kHz調(diào)制成分或噪聲，表明了它可作為另一個方法確保很好地將電源去耦合。
調(diào)制──在發(fā)送路徑中，圖1中的VCO被直接調(diào)制，為避免PLL剝離帶寬內(nèi)調(diào)制成分，可讓傳輸器件開路或使用相位誤差校正(兩點調(diào)制)。采樣-保持技術(shù)應(yīng)該是有效的，但需注意避免頻率漂移。除非使用數(shù)字技術(shù)調(diào)整合成器的分頻比，否則應(yīng)校準(zhǔn)相位調(diào)制器，以免出現(xiàn)不同數(shù)據(jù)碼型調(diào)制的響應(yīng)平坦度低的問題。

?
藍牙RF規(guī)范要檢查11110000和10101010兩種不同碼型的峰值頻率偏移，GMSK調(diào)制濾波器的輸出在2.5bit后達到最大值，第一個碼可檢查這一點，GMSK濾波器的截止點和形狀則由第二個碼檢查。在理想情況下，1010碼峰值偏移為11110000的88%，某些設(shè)計的發(fā)送未施加0.5BT高斯濾波而會顯示更高比值。最高基本調(diào)制頻率為500kHz，此時的比特率為100萬符號/秒。

帶內(nèi)頻譜──-20dB測試可確認調(diào)制和脈沖信號的確在1MHz寬的波段中，圖2的方框可以看作是極限范圍，通過設(shè)置10kHz分辨率帶寬可實現(xiàn)這一要求，因幅值具有脈沖特性而使用峰值保持法進行測量。通過頻率寬度測試而不僅只是固定模板測試，該方法能使波形偏離精確的中心頻率，效果與信號模板內(nèi)對中非常類似，圖中隆起部分由數(shù)據(jù)包報頭的非數(shù)據(jù)白化零造成。
鄰近信道測量作為系列點頻測量中的一項是規(guī)定要做的，非選通掃描是快速容易的檢查方法。選通有時仍被使用，盡管它是一種組合測量，這與GSM、DECT和PDC之類其它TDMA系統(tǒng)測量有所不同。

帶外頻譜──倍頻是通常用來防止RF通過耦合返回VCO從而拉動中心頻率的一項技術(shù)，需要在RF輸出路徑中消除次級諧波，特別當(dāng)它們可能危及相關(guān)站點時，如L2頻率為1,222.7MHz的GPS接收器或蜂窩無線設(shè)備功能。
圖3顯示了設(shè)備的一個信號，它不存在次級諧波，但會產(chǎn)生超過9GHz的諧波，這正是標(biāo)準(zhǔn)頻譜分析儀能進行的測量。對于研究工作來說，雖然可使用更快的掃描時間，但仍要好幾秒。如果選擇長掃描時間，則需要用具有深數(shù)據(jù)捕獲緩沖器的新型頻譜分析儀，這類儀器能對特定感興趣的點作掃描后的放大。?

?
有些設(shè)計轉(zhuǎn)而在發(fā)送和接收路徑都有IQ混頻，這種方法可提高電路集成度，將信號處理轉(zhuǎn)成數(shù)字信號處理，而去除模擬電路。圖4顯示了一些混合電路方法，某些設(shè)計可在前端增添鏡像抑制混合，目前硅片技術(shù)更高的集成度也使這種做法更為經(jīng)濟。
所有這些的IQ級校準(zhǔn)都需要仔細考慮，已發(fā)表很多關(guān)于雷達和蜂窩應(yīng)用的技術(shù)文章介紹了所使用的序列和信號。RF輸出直接應(yīng)用IQ調(diào)制可能會對信號造成重大影響，但調(diào)制器未對準(zhǔn)頻率誤差則不會造成影響，因為頻率僅僅是相位改變率，不過也許難以在頻譜上鑒別出誤差。
IQ調(diào)制誤差意味著存在幅度調(diào)制，可用功率-時間顯示進行檢測，或用矢量分析儀做詳細調(diào)查。 IQ調(diào)制器也可用來整形功率斜坡，這再次說明了選通測量的價值。在接收鏈所有測量進行之前，還有些數(shù)字處理需要測量誤碼。另外可能出現(xiàn)零中頻系統(tǒng)，可由查找接收器混頻器輸出和ADC輸入之間的DC塊識別。像LO-RF反饋這類非理想情況會產(chǎn)生隨輸入頻率改變的直流成分，需要認真予以處理。另外邊帶抑制也是一個問題，這里有個速算公式，即0.1dB增益誤差或1度相位誤差將使邊帶降低約40dB。

分析IQ波形──矢量分析儀本身就能解調(diào)各種各樣信號，盡管直接應(yīng)用FSK也許不能涵蓋更復(fù)雜的情況，但在IQ設(shè)計過程中可能要考慮其它制式，如藍牙2、蜂窩技術(shù)或LAN。
為了解設(shè)備的性能，具備多角度分析能力十分重要，圖5顯示了以四種方法觀察相同數(shù)據(jù)的結(jié)果。偏差觀察為正確碼型調(diào)制提供快速直觀確認，眼圖和FSK誤差可顯示調(diào)制質(zhì)量，而解調(diào)數(shù)據(jù)觀察則使用戶能檢查前同步碼、報頭、同步字和有效載荷數(shù)據(jù)的存在。
?
設(shè)計模擬──更高級的集成關(guān)注于模擬工具，這些工具不僅能迅速評估不同電路的拓撲結(jié)構(gòu)，更有先進的工具把各種有效和受損信號注入接收器。
最近有兩種非常有利于產(chǎn)品開發(fā)的進展，第一是數(shù)字信號發(fā)生器和矢量信號分析塊的集成，它提供了模擬和實際測試間的相互交換，軟件產(chǎn)品與物理儀器鏈接能在原型交付時立即比較結(jié)果。第二是可以使工具設(shè)置自動化的設(shè)計指南，讓用戶能更好地用設(shè)計軟件評估實際電路，而不必在基本配置信息中根據(jù)特定無線技術(shù)編寫程序。

接收器測試──圖1中的鑒別器是一個混頻器/調(diào)諧電路，它是一個直通器件，但也需要進行校準(zhǔn)。在設(shè)計特性描述過程中，一定要注意某些結(jié)果的非正態(tài)(高斯)分布。
由于調(diào)諧電路/混頻器的相位/頻率特性，這種電路的價值是很有限的。延遲線鑒別器是另一種可能的選擇，但也需要經(jīng)過校準(zhǔn)。?
?
前端放大器設(shè)計和測試關(guān)注的是干擾，而不是最好的噪聲系數(shù)，或1dB壓縮特性。已公開的很多技術(shù)能通過接收器鏈動態(tài)改變增益，優(yōu)化對有害信號的抑制。也可對信號發(fā)生器使用同步脈沖幅度調(diào)制，這種測試對AGC系統(tǒng)特別是當(dāng)系統(tǒng)由軟件控制時的脈沖間響應(yīng)很有用。

測試接收器跳頻──如前所述，所有藍牙設(shè)計中都會采用的元件是簡單的本地振蕩器，其邊帶效應(yīng)會在全部調(diào)諧范圍造成小于300微秒的時滯，當(dāng)設(shè)備工作于藍牙測試模式時也必然產(chǎn)生這一效應(yīng)。
在發(fā)送期間，必須在ISM頻段的接收測試頻率或以其它任意點為中心的另一端選擇一個頻率，VCO每次都使轉(zhuǎn)換跳回到接收器頻率。每一脈沖都可用于數(shù)據(jù)傳輸，因此可使用連續(xù)序列，從而在使用跳頻源時無需進行跳頻BER測試。雖然可以這樣做，但在使用鏈路信號之前用戶必須安排好對信號發(fā)生器和被測設(shè)備的同時控制。一旦比特轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式就可進行BER測試，表1列出了幾種可行的測試方法。

藍牙收發(fā)器IC測試
Nelson Lee T K
藍牙規(guī)范的第一個正式版本1.0版已于1999年7月發(fā)布，之后許多廠商都推出了支持藍牙產(chǎn)品的高性價比集成電路芯片。隨著藍牙產(chǎn)品越來越普及，制造商需要以較低的成本完成大量測試工作。本文針對藍牙射頻前端收發(fā)器，著重介紹藍牙技術(shù)規(guī)范中定義的各類測試參數(shù)。
今天的電子工程師幾乎沒有人沒聽說過“藍牙”的概念，這個詞出自公元10世紀(jì)丹麥國王Harald Blaatand，他為了聯(lián)系他的臣民曾在挪威和丹麥建立了一個通信系統(tǒng)。開發(fā)藍牙技術(shù)是為了使個人數(shù)字助理(PDA)、移動電話外設(shè)及其它移動計算設(shè)備不必使用昂貴的專用線纜就可以進行通信，正因為此，藍牙又被稱作“個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN)”。對藍牙產(chǎn)品來說，最基本的要求是低價格、高可靠性、低能耗和有限工作范圍。
最初藍牙定義為采用全球適用的2.4GHz ISM頻段進行短距離通信(10至15米)，不過最近芯片制造商的不斷提高使藍牙技術(shù)遠遠超出當(dāng)初的設(shè)計水平，一些OEM制造商希望能在20到30米辦公室環(huán)境和100米開放環(huán)境下使用藍牙技術(shù)，他們期待將藍牙作為網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，使筆記本電腦用戶通過無線接入點進入到局域網(wǎng)中。
藍牙技術(shù)由4個主要部分組成，分別是應(yīng)用軟件、藍牙棧、硬件和天線，本文針對硬件和射頻前端收發(fā)器，重點介紹藍牙技術(shù)規(guī)范中定義的各類測試參數(shù)。

藍牙收發(fā)器
對集成RF收發(fā)器的測試要求可以典型的RF藍牙原理框圖(圖1)來說明。?
?
◆藍牙發(fā)射器 藍牙無線信號采用高斯頻移鍵控(GFSK)方式調(diào)制，發(fā)射數(shù)據(jù)(Tx)通過高斯濾波器濾波后，用濾波器的輸出對VCO頻率進行調(diào)制。根據(jù)串行輸入數(shù)據(jù)流邏輯電平，VCO頻率會從其中心頻率向正負兩端偏離，偏移量決定了發(fā)射器的調(diào)制指數(shù)，調(diào)制的信號經(jīng)放大后由天線發(fā)射出去。
藍牙無線信號在半雙工模式下工作，用一個RF多路復(fù)用開關(guān)(位于天線前)將天線連接到發(fā)射或接收模式。
◆藍牙接收器 與設(shè)備接收部分相似，從另一個藍牙設(shè)備發(fā)射來的GFSK信號也是由天線接收的。在這期間，開關(guān)與低噪聲放大器(LNA)相連，對接收到的信號(Rx)進行放大。下一級混頻器將接收信號下變換到IF頻率(一般為幾MHz)，進行該步驟時用于發(fā)射的PLL/VCO部分作為接收器下變頻本機振蕩器使用，將IF信號解調(diào)并恢復(fù)出數(shù)據(jù)。

擴展頻譜?

?
藍牙無線通信的一個獨特之處就是它使用了擴頻技術(shù)，該技術(shù)原來是為軍事應(yīng)用開發(fā)的，因為軍事應(yīng)用中無線數(shù)據(jù)傳送必須安全可靠。傳統(tǒng)意義上的窄帶應(yīng)用要消耗更多功率，在一個頻率上停留的時間很長，因此頻譜很容易被檢測到；而將發(fā)射器功率分配(擴展)到更大的帶寬上之后，此時信號看起來更像隨機噪聲，這相當(dāng)于犧牲帶寬效率來換取可靠性和安全性。由于功率密度較低，這些系統(tǒng)對其它信號接收器干擾小，而且即便存在信號丟失頻段，數(shù)據(jù)也可以在其它頻率恢復(fù)，從而增強了對干擾和噪聲的抵抗能力。兩種最主要的擴頻形式是跳頻(FHSS)和直接序列(DSSS)，用原始數(shù)據(jù)對載波進行調(diào)制并使用與每個鏈路端點跳頻代碼一致的頻率范圍發(fā)射時(圖2)使用FHSS系統(tǒng)。采用這種方式后，由于某個頻率干擾而丟失的數(shù)據(jù)可以通過另一個頻率發(fā)射，F(xiàn)HSS中的擴展代碼生成器直接用GFSK調(diào)制技術(shù)對載波頻率進行調(diào)制。

GFSK調(diào)制
GFSK是一項調(diào)制技術(shù)，它在一個比特持續(xù)時間內(nèi)由數(shù)據(jù)線性修改載波周期部分載波頻率，頻率變換速率是數(shù)據(jù)率的函數(shù)，頻率變換大小是數(shù)據(jù)幅值的函數(shù)，它們之間的相互關(guān)系以調(diào)制指數(shù)β來表示。
FSK信號調(diào)制指數(shù)β由下面公式計算：
β=2Δf/fi
此處fi是以赫茲表示的數(shù)據(jù)頻率(對藍牙來說典型值為1MHz)，Δf是載波的頻偏。
如果選擇140kHz作為藍牙載波頻偏，那么：
β=2Δf/fi=280kHz/1MHz=0.28且
FFSK=Acos(2πfc(t)+0.28π∫m(t)dt)
這里A是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的振幅，m(t)是持續(xù)一個比特時間且直流電平為±1的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。
可以用靈敏度為140kHz/V的壓控振蕩器作為FSK調(diào)制器，其β=0.28，通常要讓輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)過限制器以確保電路頻差為140kHz。
載波頻偏(發(fā)射模式)取決于輸入數(shù)據(jù)流的振幅，反過來也一樣成立，解調(diào)后載波的數(shù)據(jù)振幅是載波偏差(接收模式)的函數(shù)，這一點對系統(tǒng)誤碼率(BER)是很重要的。
BER是每個發(fā)射比特相對于每比特所包含噪聲功率的函數(shù)，它們之間關(guān)系用Eb/No表示，即每個比特的功率噪聲比?？赏ㄟ^減少接收器噪聲或提高發(fā)射功率來改善Eb/No，也可提高每個發(fā)射比特的功率改善Eb/No。提高載波頻偏能增加每個發(fā)射比特的功率，從而提高Eb/No并降低比特出錯率；但其負面影響是提高頻偏會導(dǎo)致增加頻寬，降低系統(tǒng)的信道數(shù)量。
有效的通信要求有一個最小誤碼率，藍牙技術(shù)指標(biāo)規(guī)定為在72dBm時BER為0.1%，即每1,000比特的數(shù)據(jù)流中有1個錯誤。一致性規(guī)范要求測得的靈敏度(作為BER)在三個頻率上超過160萬比特，由于該項測試使用標(biāo)準(zhǔn)單隙(DH1)數(shù)據(jù)包進行，至少需要25秒，所以為節(jié)約時間，實際應(yīng)用中即使頻率數(shù)量減少，也只測量較少比特數(shù)。

藍牙收發(fā)器測試規(guī)范?

?
藍牙標(biāo)準(zhǔn)對RF載波調(diào)制數(shù)據(jù)要求規(guī)定如下：
?調(diào)制方式： 高斯頻移鍵控(GFSK) ?高斯濾波器： 0.5 ?輸出功率： 0dBm和+20dBm ?數(shù)據(jù)速率： 1Mb/s ?信道帶寬： 1MHz ?頻偏(Δf)： 140kHz～175kHz(調(diào)制指數(shù)0.28～0.35) ?誤碼率(BER)靈敏度：0.1% @ -72dBm
藍牙定義將1mW或0dBm作為標(biāo)稱系統(tǒng)，發(fā)射功率峰值不超過20dBm，這樣設(shè)計是為了進行短程操作且不會干擾其它無線系統(tǒng)，在1MHz帶寬(載波間隔為1MHz)使用高斯過濾頻移鍵控(GFSK)調(diào)制。美國和歐洲(法國與西班牙除外)有79個1MHz信道，法國、西班牙和日本在2.4GHz范圍僅有23個1MHz信道。
圖3顯示了7個連續(xù)時間間隔使用DH1、DH2和DH5包的包時序協(xié)議，由于發(fā)射和接收包長度都相同，所以DH1有一個對稱鏈接，收發(fā)器在偶數(shù)時間間隔發(fā)射數(shù)據(jù)而在奇數(shù)時間間隔接收數(shù)據(jù)。DH3使用3個時間間隔，DH5用5個，DH3和DH5包的有效載荷比較長，由于協(xié)議的開銷是固定的(存取編碼+報頭)，所以可提供更高數(shù)據(jù)流量。
對于發(fā)射器來說，以下是一些比較重要的測試參數(shù)：
?調(diào)制載波功率 ?-20dB帶寬 ?載波頻率容差 ?發(fā)射器頻率偏移 ?調(diào)制指數(shù) ?發(fā)射器設(shè)置時間 ?發(fā)射器鄰信道泄漏功率?
?
圖4是收發(fā)器處于發(fā)射模式時的典型測試設(shè)置條件，收發(fā)器設(shè)置為測試-20dB帶寬參數(shù)，采用藍牙設(shè)備的電源供電，PLL/VCO利用所要求的數(shù)字模式在上述藍牙信道(2.4～2.5GHz)進行編碼，當(dāng)設(shè)備在該信道編碼完成后，將有一個預(yù)先規(guī)定的等待時間以便將VCO設(shè)置到編碼載波頻率。
然后把PLL放入開環(huán)中，這樣就可進行調(diào)制并將偽隨機位序列(PRBS)數(shù)據(jù)提供給Tx數(shù)據(jù)引腳。用一個RF端口將RF接收器連接到藍牙發(fā)射器天線上，在數(shù)字模式一段預(yù)定義時間之后，RF接收器將被觸發(fā)開始接收發(fā)射信號，并對微波接收器收到的數(shù)字采樣執(zhí)行快速傅立葉變換。對于被捕獲的信號，則在GFSK信號兩邊搜索載波頻率和頻率部分的功率，即從編碼載波頻率中減去20dB，然后計算出帶寬。
和發(fā)射部分類似，一些比較重要的接收測試參數(shù)包括：
?接收器靈敏度 ?同頻干擾 ?相鄰頻道干擾 ?內(nèi)調(diào)制 ?最大輸入電平
在測試接收器靈敏度參數(shù)時，圖4也用于對收發(fā)器進行設(shè)置(接收模式)。干擾信號測試的參數(shù)與靈敏度測試類似，但前者還含有干擾調(diào)制信號。同頻干擾、相鄰頻道干擾和內(nèi)調(diào)制測試設(shè)置等需要用到使用雙音RF合成器的額外RF調(diào)制源。
為了給靈敏度測試生成調(diào)制載波，需要創(chuàng)建一個PRBS數(shù)據(jù)流并存在測試程序陣列中。IF載波采用數(shù)學(xué)GFSK調(diào)制器以隨機位流進行調(diào)制，IF調(diào)制信號來自VHF波形生成器，并由RF源上變頻成Rx測試頻率，然后將該信號通過RF端口接到被測設(shè)備上。
被測設(shè)備對調(diào)制的RF信號進行解調(diào)并將位流送到Rx數(shù)據(jù)引腳，再用數(shù)字采樣儀器收集，把收集到的數(shù)據(jù)與原始PRBS數(shù)據(jù)比較，在調(diào)制時使用并計算出誤碼率(BER)，接收器靈敏度測試將測量不同輸入功率的BER。
隨著藍牙IC產(chǎn)量的不斷增大，測試可能會成為制造過程中非常耗費成本的一個工序，能滿足要求且最經(jīng)濟的方法就是在非常短的時間內(nèi)完成各種測試，自動測試設(shè)備(ATE)是提供經(jīng)濟測試方案的最佳選擇。測試儀器必須具備高質(zhì)量前端設(shè)計并具有足夠的靈活性以滿足各種測試要求，測試儀的RF信號源設(shè)置時間應(yīng)比被測設(shè)備的更短，數(shù)字子系統(tǒng)則必須先進以適應(yīng)混合信號RF設(shè)備嚴(yán)格的數(shù)字性能要求。另外測試儀器還應(yīng)有高速、高分辨率DSP器件，以便從藍牙器件和功能強大的DSP引擎獲取信號，滿足每次測試的處理需求。