藍(lán)牙測(cè)試詳解

下面介紹一些適用于藍(lán)牙設(shè)備RF部分的測(cè)試。功率——輸出放大器是一個(gè)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(duì)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(jì)提供的功率是+20dBm還是更低，接收器都需要有接收信號(hào)強(qiáng)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(jì)中的功率斜率可由控制放大器的偏置電流實(shí)現(xiàn)。與其它TDMA系統(tǒng)如DECT或GSM不同，藍(lán)牙頻譜測(cè)試并不限于單獨(dú)的功率控制和調(diào)制誤差測(cè)試，它的測(cè)量間隔時(shí)間必須足夠長(zhǎng)，以采集到斜率和調(diào)制造成的影響。在實(shí)際中這不會(huì)影響認(rèn)證，時(shí)間選通測(cè)量由于能迅速確定缺陷，具有很高的價(jià)值。有些設(shè)計(jì)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(lán)牙規(guī)范中所有頻率測(cè)量選取較短的4微秒或10微秒選通周期，這樣會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的不定性，可從不同的角度進(jìn)行理解。首先，窄的時(shí)間開口意味著測(cè)量帶寬截止頻率較高，會(huì)把各類噪聲引入測(cè)量；其次應(yīng)考慮誤差機(jī)制，如在短間隔測(cè)量中，來自測(cè)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(zhǎng)測(cè)量間隔中這些噪聲影響會(huì)被平均掉。因此設(shè)計(jì)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(cè)量將短的10位相鄰數(shù)據(jù)組和跨越脈沖的較長(zhǎng)漂移結(jié)果結(jié)合在一起。如果在發(fā)送器設(shè)計(jì)中用了采樣-保持設(shè)計(jì)，就可能出現(xiàn)這一誤差。對(duì)其它類型設(shè)計(jì)，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(gè)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(diǎn)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(lán)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(dá)到最大值，第一個(gè)碼可檢查這一點(diǎn)，GMSK濾波器的截止點(diǎn)和形狀則由第二個(gè)碼檢查。在理想情況下，1010碼峰值偏移為11110000的88%，某些設(shè)計(jì)的發(fā)送未施加0.5BT高斯濾波而會(huì)顯示更高比值。最高基本調(diào)制頻率為500kHz，此時(shí)的比特率為100萬符號(hào)/秒。帶內(nèi)頻一20dB測(cè)試可確認(rèn)調(diào)制和脈沖信號(hào)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(shí)現(xiàn)這一要求，因幅值具有脈沖特性而使用峰值保持法進(jìn)行測(cè)量。通過頻率寬度測(cè)試而不僅只是固定模板測(cè)試，該方法能使波形偏離精確的中心頻率，效果與信號(hào)模板內(nèi)對(duì)中非常類似，圖中隆起部分由數(shù)據(jù)包報(bào)頭的非數(shù)據(jù)白化零造成。鄰近信道測(cè)量作為系列點(diǎn)頻測(cè)量中的一項(xiàng)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(shí)仍被使用，盡管它是一種組合測(cè)量，這與GSM、DECT和PDC之類其它TDMA系統(tǒng)測(cè)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(dòng)中心頻率的一項(xiàng)技術(shù)，需要在RF輸出路徑中消除次級(jí)諧波，特別當(dāng)它們可能危及相關(guān)站點(diǎn)時(shí)，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(gè)信號(hào)，它不存在次級(jí)諧波，但會(huì)產(chǎn)生超過9GHz的諧波，這正是標(biāo)準(zhǔn)頻譜分析儀能進(jìn)行的測(cè)量。對(duì)于研究工作來說，雖然可使用更快的掃描時(shí)間，但仍要好幾秒。如果選擇長(zhǎng)掃描時(shí)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(duì)特定感興趣的點(diǎn)作掃描后的放大。有些設(shè)計(jì)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(hào)處理轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)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(jì)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(jì)。所有這些的IQ級(jí)校準(zhǔn)都需要仔細(xì)考慮，已發(fā)表很多關(guān)于雷達(dá)和蜂窩應(yīng)用的技術(shù)文章介紹了所使用的序列和信號(hào)。RF輸出直接應(yīng)用IQ調(diào)制可能會(huì)對(duì)信號(hào)造成重大影響，但調(diào)制器未對(duì)準(zhǔn)頻率誤差則不會(huì)造成影響，因?yàn)轭l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(shí)間顯示進(jìn)行檢測(cè)，或用矢量分析儀做詳細(xì)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(cè)量的價(jià)值。在接收鏈所有測(cè)量進(jìn)行之前，還有些數(shù)字處理需要測(cè)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(shí)別。像LO-RF反饋這類非理想情況會(huì)產(chǎn)生隨輸入頻率改變的直流成分，需要認(rèn)真予以處理。另外邊帶抑制也是一個(gè)問題，這里有個(gè)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(hào)，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(jì)過程中可能要考慮其它制式，如藍(lán)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(rèn)，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(bào)頭、同步字和有效載荷數(shù)據(jù)的存在。設(shè)計(jì)模擬——更高級(jí)的集成關(guān)注于模擬工具，這些工具不僅能迅速評(píng)估不同電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，更有先進(jìn)的工具把各種有效和受損信號(hào)注入接收器。最近有兩種非常有利于產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)展，第一是數(shù)字信號(hào)發(fā)生器和矢量信號(hào)分析塊的集成，它提供了模擬和實(shí)際測(cè)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(shí)立即比較結(jié)果。第二是可以使工具設(shè)置自動(dòng)化的設(shè)計(jì)指南，讓用戶能更好地用設(shè)計(jì)軟件評(píng)估實(shí)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(cè)試一一圖1中的鑒別器是一個(gè)混頻器/調(diào)諧電路，它是一個(gè)直通器件，但也需要進(jìn)行校準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)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(jià)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(jì)和測(cè)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(dòng)態(tài)改變?cè)鲆?，?yōu)化對(duì)有害信號(hào)的抑制。也可對(duì)信號(hào)發(fā)生器使用同步脈沖幅度調(diào)制，這種測(cè)試對(duì)AGC系統(tǒng)特別是當(dāng)系統(tǒng)由軟件控制時(shí)的脈沖間響應(yīng)很有用。測(cè)試接收器跳頻一一如前所述，所有藍(lán)牙設(shè)計(jì)中都會(huì)采用的元件是簡(jiǎn)單的本地振蕩器，其邊帶效應(yīng)會(huì)在全部調(diào)諧范圍造成小于300微秒的時(shí)滯，當(dāng)設(shè)備工作于藍(lán)牙測(cè)試模式時(shí)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(cè)試頻率或以其它任意點(diǎn)為中心的另一端選擇一個(gè)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(shí)無需進(jìn)行跳頻BER測(cè)試。雖然可以這樣做，但在使用鏈路信號(hào)之前用戶必須安排好對(duì)信號(hào)發(fā)生器和被測(cè)設(shè)備的同時(shí)控制。一旦比特轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式就可進(jìn)行BER測(cè)試，表1列出了幾種可行的測(cè)試方法。藍(lán)牙收發(fā)器IC測(cè)試NelsonLeeTK藍(lán)牙規(guī)范的第一個(gè)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(lán)牙產(chǎn)品的高性價(jià)比集成電路芯片。隨著藍(lán)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(cè)試工作。本文針對(duì)藍(lán)牙射頻前端收發(fā)器，著重介紹藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范中定義的各類測(cè)試參數(shù)。今天的電子工程師幾乎沒有人沒聽說過''藍(lán)牙〃的概念，這個(gè)詞出自公元10世紀(jì)丹麥國(guó)王HaraldBlaatand,他為了聯(lián)系他的臣民曾在挪威和丹麥建立了一個(gè)通信系統(tǒng)。開發(fā)藍(lán)牙技術(shù)是為了使個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、移動(dòng)電話外設(shè)及其它移動(dòng)計(jì)算設(shè)備不必使用昂貴的專用線纜就可以進(jìn)行通信，正因?yàn)榇?，藍(lán)牙又被稱作'個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN)”。對(duì)藍(lán)牙產(chǎn)品來說，最基本的要求是低價(jià)格、高可靠性、低能耗和有限工作范圍。最初藍(lán)牙定義為采用全球適用的2.4GHzISM頻段進(jìn)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(lán)牙技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)初的設(shè)計(jì)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(lán)牙技術(shù)，他們期待將藍(lán)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(diǎn)進(jìn)入到局域網(wǎng)中。藍(lán)牙技術(shù)由4個(gè)主要部分組成，分別是應(yīng)用軟件、藍(lán)牙棧、硬件和天線，本文針對(duì)硬件和射頻前端收發(fā)器，重點(diǎn)介紹藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范中定義的各類測(cè)試參數(shù)。藍(lán)牙收發(fā)器對(duì)集成RF收發(fā)器的測(cè)試要求可以典型的RF藍(lán)牙原理框圖(圖1)來說明。?藍(lán)牙發(fā)射器藍(lán)牙無線信號(hào)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(duì)VCO頻率進(jìn)行調(diào)制。根據(jù)串行輸入數(shù)據(jù)流邏輯電平，VCO頻率會(huì)從其中心頻率向正負(fù)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(hào)經(jīng)放大后由天線發(fā)射出去。藍(lán)牙無線信號(hào)在半雙工模式下工作，用一個(gè)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(lán)牙接收器與設(shè)備接收部分相似，從另一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備發(fā)射來的GFSK信號(hào)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(duì)接收到的信號(hào)(Rx)進(jìn)行放大。下一級(jí)混頻器將接收信號(hào)下變換到IF頻率(一般為幾MHz)，進(jìn)行該步驟時(shí)用于發(fā)射的PLL/VCO部分作為接收器下變頻本機(jī)振蕩器使用，將IF信號(hào)解調(diào)并恢復(fù)出數(shù)據(jù)。擴(kuò)展頻譜藍(lán)牙無線通信的一個(gè)獨(dú)特之處就是它使用了擴(kuò)頻技術(shù)，該技術(shù)原來是為軍事應(yīng)用開發(fā)的，因?yàn)檐娛聭?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(gè)頻率上停留的時(shí)間很長(zhǎng)，因此頻譜很容易被檢測(cè)到；而將發(fā)射器功率分配(擴(kuò)展)到更大的帶寬上之后，此時(shí)信號(hào)看起來更像隨機(jī)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(duì)其它信號(hào)接收器干擾小，而且即便存在信號(hào)丟失頻段，數(shù)據(jù)也可以在其它頻率恢復(fù)，從而增強(qiáng)了對(duì)干擾和噪聲的抵抗能力。兩種最主要的擴(kuò)頻形式是跳頻(FHSS)和直接序列(DSSS)，用原始數(shù)據(jù)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制并使用與每個(gè)鏈路端點(diǎn)跳頻代碼一致的頻率范圍發(fā)射時(shí)(圖2)使用FHSS系統(tǒng)。采用這種方式后，由于某個(gè)頻率干擾而丟失的數(shù)據(jù)可以通過另一個(gè)頻率發(fā)射，F(xiàn)HSS中的擴(kuò)展代碼生成器直接用GFSK調(diào)制技術(shù)對(duì)載波頻率進(jìn)行調(diào)制。GFSK調(diào)制GFSK是一項(xiàng)調(diào)制技術(shù)，它在一個(gè)比特持續(xù)時(shí)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)B來表示。FSK信號(hào)調(diào)制指數(shù)B由下面公式計(jì)算：P=2Af/fi此處fi是以赫茲表示的數(shù)據(jù)頻率(對(duì)藍(lán)牙來說典型值為1MHz)，Af是載波的頻偏。如果選擇140kHz作為藍(lán)牙載波頻偏，那么：B=2Af/fi=280kHz/1MHz=0.28且FFSK=Acos(2nfc(t)+0.28nJm(t)dt)這里A是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的振幅，m(t)是持續(xù)一個(gè)比特時(shí)間且直流電平為±1的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)?？梢杂渺`敏度為140kHz/V的壓控振蕩器作為FSK調(diào)制器，其8=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(diǎn)對(duì)系統(tǒng)誤碼率(BER)是很重要的。BER是每個(gè)發(fā)射比特相對(duì)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(gè)比特的功率噪聲比。可通過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(gè)發(fā)射比特的功率改善Eb/No。提高載波頻偏能增加每個(gè)發(fā)射比特的功率，從而提高Eb/No并降低比特出錯(cuò)率；但其負(fù)面影響是提高頻偏會(huì)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(gè)最小誤碼率，藍(lán)牙技術(shù)指標(biāo)規(guī)定為在72dBm時(shí)BER為0.1%，即每1,000比特的數(shù)據(jù)流中有1個(gè)錯(cuò)誤。一致性規(guī)范要求測(cè)得的靈敏度(作為BER)在三個(gè)頻

率上超過160萬比特，由于該項(xiàng)測(cè)試使用標(biāo)準(zhǔn)單隙（DH1）數(shù)據(jù)包進(jìn)行，至少需要25秒,所以為節(jié)約時(shí)間，實(shí)際應(yīng)用中即使頻率數(shù)量減少，也只測(cè)量較少比特?cái)?shù)。藍(lán)牙收發(fā)器測(cè)試規(guī)范藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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瀕偏（Af）140kHz?175kHz（調(diào)制指數(shù)0.28?0.35）?誤碼率（BER）靈敏度：0.1%@-72dBm藍(lán)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(jì)是為了進(jìn)行短程操作且不會(huì)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(guó)和歐洲（法國(guó)與西班牙除外）有79個(gè)1MHz信道，法國(guó)、西班牙和日本在2.4GHz范圍僅有23個(gè)1MHz信道。圖3顯示了7個(gè)連續(xù)時(shí)間間隔使用DH1、DH2和DH5包的包時(shí)序協(xié)議，由于發(fā)射和接收包長(zhǎng)度都相同，所以DH1有一個(gè)對(duì)稱鏈接，收發(fā)器在偶數(shù)時(shí)間間隔發(fā)射數(shù)據(jù)而在奇數(shù)時(shí)間間隔接收數(shù)據(jù)。DH3使用3個(gè)時(shí)間間隔，DH5用5個(gè)，DH3和DH5包的有效載荷比較長(zhǎng)，由于協(xié)議的開銷是固定的（存取編碼+報(bào)頭），所以可提供更高數(shù)據(jù)流量。對(duì)于發(fā)射器來說，以下是一些比較重要的測(cè)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(shí)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(shí)的典型測(cè)試設(shè)置條件，收發(fā)器設(shè)置為測(cè)試-20dB帶寬參數(shù)，采用藍(lán)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(lán)牙信道（2.4?2.5GHz)進(jìn)行編碼，當(dāng)設(shè)備在該信道編碼完成后，將有一個(gè)預(yù)先規(guī)定的等待時(shí)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(jìn)行調(diào)制并將偽隨機(jī)位序列(PRBS)數(shù)據(jù)提供給Tx數(shù)據(jù)引腳。用一個(gè)RF端口將RF接收器連接到藍(lán)牙發(fā)射器天線上，在數(shù)字模式一段預(yù)定義時(shí)間之后，RF接收器將被觸發(fā)開始接收發(fā)射信號(hào)，并對(duì)微波接收器收到的數(shù)字采樣執(zhí)行快速傅立葉變換。對(duì)于被捕獲的信號(hào)，則在GFSK信號(hào)兩邊搜索載波頻率和頻率部分的