藍牙測試項目

下面介紹一些適用于藍牙設備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不作要求，但應避免過大的功率輸出，以免造成不必要的電池耗電。
無論設計提供的功率是+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備間互相聯(lián)系，這類設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；其次應考慮誤差機制，如在短間隔測量中，來自測量設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。因此設計范圍要考慮這一因素，它應超過參考晶振產(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)送器設計中用了采樣-保持設計，就可能出現(xiàn)這一誤差。對其它類型設計，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，否則應校準相位調(diào)制器，以免出現(xiàn)不同數(shù)據(jù)碼型調(diào)制的響應平坦度低的問題。

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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備功能。
圖3顯示了設備的一個信號，它不存在次級諧波，但會產(chǎn)生超過9GHz的諧波，這正是標準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。?

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有些設計轉(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級校準都需要仔細考慮，已發(fā)表很多關(guān)于雷達和蜂窩應用的技術(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，盡管直接應用FSK也許不能涵蓋更復雜的情況，但在IQ設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。
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設計模擬──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置自動化的設計指南，讓用戶能更好地用設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。在設計特性描述過程中，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。?
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前端放大器設計和測試關(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)特別是當系統(tǒng)由軟件控制時的脈沖間響應很有用。

測試接收器跳頻──如前所述，所有藍牙設計中都會采用的元件是簡單的本地振蕩器，其邊帶效應會在全部調(diào)諧范圍造成小于300微秒的時滯，當設備工作于藍牙測試模式時也必然產(chǎn)生這一效應。
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)、移動電話外設及其它移動計算設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(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)遠遠超出當初的設計水平，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。?
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◆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 與設備接收部分相似，從另一個藍牙設備發(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)并恢復出數(shù)據(jù)。

擴展頻譜?

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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)原來是為軍事應用開發(fā)的，因為軍事應用中無線數(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，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)字數(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)字數(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準單隙(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?

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藍牙標準對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作為標稱系統(tǒng)，發(fā)射功率峰值不超過20dBm，這樣設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)射器設置時間 ?發(fā)射器鄰信道泄漏功率?
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圖4是收發(fā)器處于發(fā)射模式時的典型測試設置條件，收發(fā)器設置為測試-20dB帶寬參數(shù)，采用藍牙設備的電源供電，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，當設備在該信道編碼完成后，將有一個預先規(guī)定的等待時間以便將VCO設置到編碼載波頻率。
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端口接到被測設備上。
被測設備對調(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信號源設置時間應比被測設備的更短，數(shù)字子系統(tǒng)則必須先進以適應混合信號RF設備嚴格的數(shù)字性能要求。另外測試儀器還應有高速、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。