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蓝芽射频量测解决方案


2005-08-24 16:54:41 6,072 0 发表评论 字体: 作者:C.K.
标签: 蓝芽

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From:http://www.cqinc.com.tw/grandsoft/cm/094/afo946.htm

蓝芽(Bluetooth)无线技术是一种开放式的个人无线局域网络,透过短距离的射频(RF)连接,它提供不同的信息家电语音和数据的传输。使用无线技术就不需要用到互连的接线,并可在各个设备间提供特殊的网络功能。

Bluetooth技术可以让各种设备达到近乎完美的互连。计算机和个人数字助理(PDA)可以从远程分享档案,以及进行数据库的同步化;笔记型计算机可以和行动电话连结,以收发电子邮件;蓝芽手机则是会逐渐渗透行动电话的市场,以简化免用手的操作。全球的许多研发实验室,都已经开始在从事这项技术的应用。
由于Bluetooth还在发展的初期,因此它的测试方法将与成熟技术常用的测试方法有所不同。测试的程序涵盖了手动介入或自订软件控制,以及简单好用的单键式量测。

Bluetooth的基本概念

Bluetooth无线技术最基本的定义是,无线连接的通用规格。因为它要用来取代接线,所以成本必须够低,操作也必须是直觉和稳定的。这些需求将会带来许多挑战,但无线技术可以透过好几种方法,来解决这些问题。无线单元使用的是跳频扩频(Frequency Hopping Spread Spectrum;FHSS),而设计的重点则是为了在充满干扰的ISM无线频带,提供超低功率、超低成本和最稳定的操作。

目前使用中的Bluetooth无线技术方块图有相当多种。就传送部份而言,包括直接的VCO调变(Direct VCO Modulation),到最后RF的IQ混合。在接收器方面,主要是将传统的鉴频器或IQ下行转换功能(Down-conversion),与模拟/数字转换功能结合在一起。

Bluetooth系统是由无线单元(Radio Unit)、基频带连结控制单元(Baseband Link Control Unit)及连结管理软件(Link Management Software)所组合而成。它也包含部份较高阶的软件,主要的功用是确定设备之间的兼容性。

Bluetooth系统单元介绍

Bluetooth的无线单元(Radio Unit)就是方块图的发射器与接收器区段。发射器会上转换(Up Convert)基频带信息到调频载波。跳频与丛发都会在此位准执行。相反的,接收器则会下转换(Down Convert)和解调RF信号。每个Bluetooth频道的宽度是1MHz。跳频会在七十九个频道上发生。

Bluetooth系统中的调变属于二阶移频键控(2-level Freqency Shift Key;2FSK),这是一种数字化的调变格式,调变的载波会在代表「1」和「0」的两个频率间变换。因此,2FSK会为每个符号提供一个位(1 Bit Per Symbol)的数据。

Bluetooth连结控制单元(Link Control Unit)又称为连结控制器(Link Controller),它会决定设备的状态,并负责建立网络连接,以及管理电源效率、错误修正和加密等工作。连结管理(Link Management)软件必须和连结控制单元(Link Control Unit)搭配使用,各个设备必须透过连结管理员(Link Manager)来进行通讯。

Bluetooth无线系统可以当作主设备(Master)或从属设备(Slave)来操作。连结管理(Link Management)员会设定主设备和从属设备间的连接,也会决定从属设备的省电模式。主设备最多可以和七个从属设备进行通讯,同时可以有二百多个从属设备以非通讯的省电模式登录。这个控制区域被定义为一个微网络(Piconet)。在一个Piconet中的主设备,可能是另一个Piconet的主设备之从属设备。同样的,来自不同Piconet的多个主设备,也可以控制同一个从属设备,这个由Piconet所形成的网络称为散射网络(Scatternet)。

Bluetooth频带可分为多个时槽,每个时槽都会对应到一个RF跳频频率。在分时双工(TDD)模式中,主设备会从偶数时槽发射信号,从属设备则在奇数时槽发射信号。Piconet中的语音位或数据位,会以封包的形式传送。由主设备或从属设备所传送的封包,可能会涵盖一个、三个或五个时槽。封包包含了存取码(Access code)、起始码(Header)和负载(Payload)(图三)。存取码是由一个前文(Preamble)、一个同步文字(Sync Word)和一个选择性的字尾(Optional Trailer)所组合而成。起始码包含Piconet的地址和封包信息。

连结管理员必须支持Bluetooth测试模式。这些测试模式应提供测试Bluetooth设备的主要功能,包括将设备设为回反测试模式(West Loopback Mode),以及定义发射和接收频率、功率控制及其它主要参数的能力。
发射器量测

Bluetooth发射器测试和测试方法的架构将此部份的重点。就发射器测试而言,可将待测的Bluetooth设备设为回反模式(Loopback Mode),作为从属设备,它必须从信号产生器接收轮询封包(Poll Packet),以产生自己的脉冲串时序。这使得数字信号产生器的信号,能够传送到设备的接收器,然后再经由发射器返回,以便进行分析。

Bluetooth设备的测试模式可由透过RF连接所传送的协议来控制,或直接接受设备的数字控制,不论使用哪一种方法,都需要一种Bluetooth测试模式控制类型。Bluetooth系统所使用的频带中的接线损耗和不匹配(Mismatech)情形,都会对测试系统中的信号位准产生严重的影响。

Bluetooth系统的跳频特性,使信号的分析变得更为复杂。测试Bluetooth设备的功能时需要用到跳频,但进行参数测试时,则不需要。为减少变量的数目及确认个别的性能特性,在执行某些测试时必须关闭跳频功能。不过,发射与接收频道可以设在频带的两端,迫使待测设备中的电压控制振荡器(VCO)切换频率。

功率测试(Power Tests)

RF发射器的功率量测,包括脉冲中的平均功率(Burst Average Power)、峰值功率(Peak Power)、功率密度(Power Density)和功率控制(Power Control)。功率位准是数字通讯系统中很重要的一个参数,上述测试有助于确定功率位准高到足以维持连结,但又会低到将ISM频带中的干扰降到最低,并且让电池达到最长的使用寿命。

(一)输出功率(Output Power):

输出功率的量测是在时域中执行的。平均功率是针对脉冲周期时间,至少20﹪到80﹪的部份所测得的。脉冲的周期时间(脉冲宽度;Burst Width),是指相对于平均功率的最前面和最后面3 dB点之间的时间。平均功率的量测必须使用信号分析仪来执行,信号分析仪可在时域中直接分析信号,并让使用者查看瞬时等其它有意义的数据。

使用扫描调谐频谱分析仪(Swept-tuned Spectrum Analyzer)时,可将频距(Span)设为0,以查看时域中的信号波封。外部触发可用以撷取脉冲模式的信号。显示的周期数目,是由扫描时间(Sweep Time)所控制。使用峰值检测模式(Peak Detect Mode),将轨迹设为最大的保持时间,并使用峰值搜寻来量测峰值功率位准。
利用向量信号分析仪,同样也可以量测平均功率和峰值功率。向量信号分析仪提供触发延迟功能,可让使用者检视触发点之前的脉冲。这部仪器也提供平均功率功能,可自动决定平均功率

量测的结果会以等效各向同性幅射功率(Equivalent Isotropically Radiated Power;EIRP)来表示。由于EIRP是量测系统幅射功率的一种方法,因此这项量测会包括发射器、接线损耗和天线增益的效应。利用直接的埠对埠连接来执行测试时,必须在所有的量测中加入天线的增益,以确保整个系统不会超出功率输出规格。

(二)功率密度(Power density):

功率密度量测会提供100KHz频宽内的峰值功率密度。使用信号分析仪进行量测时,首先会从频域中开始,Center Frequency设在Bluetooth频带的中间,频距则是宽到足以检视整个频带。解析频宽(Resolution Bandwidth)设为100KHz。执行一分钟的单次扫描时,将轨迹设为最大保持时间(Max Hold)。使用峰值检测,可以找出轨迹的峰值。

(三)功率控制(Power Control):

功率控制测试可测试或校准位准控制电路。只有支持功率控制的设备,才需要执行功率控制测试。功率控制量测的执行方式与平均功率的量测相同,但却是在三个不同的频率频道上执行。功率控制测试可验证功率位准和功率控制步进大小,以确保它们都合乎指定的范围。与功率控制有关的注意事项包括,所有的Bluetooth模块都必须拥有能正常操作的RSSI Detector,以及信号的传送需使用递增,而非绝对的指令。

发射输出频谱量测会分析频域中的功率位准,以确定发射输出到错误的频道已降到最低。这有助于降低整个系统的干扰,并确保符合规定。Bluetooth规格会将测试分成三个部份,频率范围;-20 dB频宽;相邻通道功率。前两个部份会使用峰值检测,相邻通道功率则会使用平均值检测。

就频率范围测试而言,载波会被设为最高频率之频道和最低频率之频道。取样的时间够久,便可撷取到最高的RF位准,以进行功率密度检查。信号在2400 MHz和2483.5 MHz时,必须低于-80 dBm/Hz EIRP。

调变测试

Bluetooth调变量测包含调变特性、起始载波频率容许度及载波频率漂移。调变量测可以反映出调变器电路的性能,以及内建振荡器的稳定度。调变器和VCO都可能受到电源供应器的数字噪声或发射功率脉冲的影响。在进行无线设计时必须非常小心,以避免电源供应器改变了频率。

(一)调变特性(Modulation Characteristics):

调变特性测试是一种频率偏差量测。就调变特性来说,负载中会使用两组重复的八位序列,分别是00001111和01010101。这两种序列的组合,可以用来检查调变器的性能及调变前滤波的功能。

如果使用向量信号分析仪来解调信号,则可保留相位与符号信息。量测八位序列中某些位的频率,然后求得平均值。接着,记录这些位平均值的最大偏移。最后,计算最大偏移的平均值。在结果中会同时用到最大偏移及最大偏移的平均值。这个程序主要是针对,至少经过十个封包的期间内之00001111负载序列而执行的。

接着,对01010101负载序列重复执行一次这个过程。因为有许多的数据点,所以透过软件来控制这项测试是合理的衍生。基于这个理由,搭配使用ESA-E频谱分析仪和Bluetooth专用软件时,只要按几个键就能执行量测。就10101010(F2)的负载来说,最大偏移ΔF2max和最大偏移的平均值ΔF2avg都会显示在屏幕上。量测结果可加以储存,而带有11110000模式的脉冲则会传到分析仪。接着,针对11110000(F1)负载序列重复执行这个量测过程。这时会计算并显示ΔF1max和ΔF2avg。然后,利用已储存的ΔF2max,产生ΔF2max/ΔF1max的比值。这个比值也会显示,当数值小于80﹪时会加上失败的旗标。

(二)调变品质(Modulation Quality):

向量信号分析仪可以提供完善的调变质量量测,以便侦测、量化及追踪信号问题的来源。这些问题包括发射器干扰所造成的交互调变、电源供应器的噪声调变、以及天线的功率与稳定度不匹配(Mismatch)等。FSK错误、大小错误及眼状图等调变质量量测,虽然不直接属于Bluetooth RF Test Specification的一部份,但却是很好用的除错工具。

(三)起始载波频率容许度(Initial Carrier Frequency Tolerance):

起始载波频率容许度测试,可以验证发射器载波频率的准确度。在此使用一个包含前文(Preamble)和虚拟随机位序列(Pseudo-Random Bit Sequence;PRBS)的标准DH1封包作为负载。封包的前面四个位,即前文位,必须接受分析,以决定偏移Center Frequency的程度。这项量测必须将信号解调,才能测出每个符号的频率偏差。解调信号之后,便可量测前文(Preamble)的每个位之频率偏移,并求得平均值。

测试规格要求执行这项量测时,必须同时使用开启和关闭跳频功能两种模式。不论是哪一种情况,信号分析仪都会设在一个频率频道,不过,当开启跳频功能时,由于发射器会快速地从一个频率跳到下一个频率,因此会造成额外的回转效应。当载波频率稳定时,可能会在起始载波频率偏移中发现回转。

(四)载波频率漂移(Carrier Frequency Drift):

载波频率漂移也可当作解调信号,而利用具备FM解调能力的频谱分析仪或向量信号分析仪来加以量测。负载数据包含一个重复四个位的1010序列。要执行这项量测,必须先测得十个前文位的绝对频率并求其积分,这可提供起始载波频率。接下来则需量测和积分负载中,每连续十个位的绝对频率。所谓频率漂移,是指负载中四个前文位的平均频率,与任何十个位的平均频率之间的差异。

时序测试(Timing Tests)

针对Bluetooth信号亦可执行时序测试,这些测试包括脉冲特性、相位锁定回路(Phase Lock Loop;PLL)稳定时间、以及其它时序特性的分析。虽然这些测试不属于规格的一部份,但却可协助研发工程师确定他们的设计能符合设计的规格。

(一)脉冲特性(Burst Profile):

脉冲的上升与下降时间,可利用信号分析仪在时域中测得。目前还没有针对Bluetooth无线技术,提出上升时间与下降时间的定义。有关上升时间的传统产业定义,是指从10﹪(-20 dB)的振幅点,上升到90﹪(-0.9 dB)的振幅点所需要的时间,下降时间亦以相同的振幅点加以定义,唯顺序相反。

数字增强式无线电信(DECT)是一个类似Bluetooth无线技术的标准,它所指定的上升时间与下降时间稍有不同,上升时间是从-30 dB的振幅点上升到-3 dB的振幅点所需的时间,下降时间则是从-6 dB的振幅点下降到-30 dB的振幅点所需的时间。

(二)光谱图量测(Spectrogram Measurements):

利用向量信号分析仪的时间撷取功能,可产生较复杂的光谱图。这有助于以较慢的速度重新显示实时的数据。符号时序和符号率,都可利用这种方式来分析。

收发器量测

散出频带(Out-of-Band Spurious)的旁生发射测试(Spurious Emission Tests),可以确认Bluetooth无线系统是否在规定的需求下操作。在规格中包含了两种旁生发射测试,传导(Conducted Emission)与幅射(Radiated Emission)。传导测试可从待测设备的天线或输出接头,量测它所产生的旁生发射。幅射测试则可从待测设备的机箱,来量测旁生发射泄漏。

执行旁生发射时,需使用频谱分析仪来扫描频率范围,以找寻信号。Bluetooth RF Test Specification(1) 会列出旁生发射的规格。ETSI标准要求频谱分析仪的频率范围要达到12.75 GHz,而FCC标准则指定频率范围要达到25.0 GHz。

接收器量测

位错误率(Bit Error Rate;BER)测试:为Bluetooth系统所指定的接收器量测包括以下各项:

▓ 灵敏度-单槽封包(Sensitivity-Single-slot Packets)。
▓ 灵敏度-多槽封包(Sensitivity-Multi-slot Packets)。
▓ 载波/干扰(C/I)性能(Carrier-to-interference Performance)。
▓ 阻碍性能(Blocking Performance) 。
▓ 交互调变性能(Intermodulation Performance) 。
▓ 最大输入位准(Maximum Input Level) 。

(一)灵敏度-单槽封包:

测试灵敏度时,必须将各种受损的信号传到接收器,然后再量测接收器的BER。选择的发射功率,会使接收器的输入达-70 dBm。这项测试必须分别针对最低、中间和最高的操作频率加以执行。受损信号会在测试程序中定义,并包括载波频率偏移、载波频率漂移、调变指数、及符号时序漂移等多种可能。

(二)灵敏度-多槽封包:

多槽封包的灵敏度测试与单槽封包的灵敏度测试很类似,只不过它使用的是DH5封包,而非DH1封包。如果未支持DH5封包,可改用DH3封包。

(三)载波/干扰(C/I)性能:

量测C/I性能时,必须将共同频道或相邻信道的Bluetooth调变信号与所要的信号一起送出,然后再量测接收器的BER。必须指定载波信号位准与干扰信号位准的比值。这项测试会分别针对最低、中间和最高的操作频率加以执行,干扰信号则涵盖频带内的所有操作频率。

(四)阻碍性能:

阻碍性能测试指定2460 MHz的发射与接收频率。测试器会持续传送超过参考灵敏度位准3dB以上的Bluetooth调变信号。同时,测试器还会传送一个连续波的干扰信号,并量测接收器的BER。正式的认证测试需要一个介于30MHz到12.75GHz,以1 MHz为递增单位的干扰信号。在规格中会提供与每个频率范围相关的功率位准。

(五)交互调变性能:

交互调变性能测试会量测两个或更多个通过非线性设备的信号,因为互动所造成之不必要的频率成份。执行这项测试时,测试器会持续传送超过参考灵敏度6dB以上的Bluetooth调变信号。同时,测试器还会传送信号,以产生第三、第四和第五级的交互调变乘积。接着,必须量测BER,以决定接收器在出现交互调变失真时的性能。

(六)最大输入位准:

最大输入位准测试,会在输入信号达到指定的-20dBm的最大功率位准时,量测BER性能。这项测试会分别针对最低、中间和最高的操作频率加以执行。

(七)产生信号以执行接收器的BER测试(Signal Generation For Receiver BER Tests)。

(八)BER测试设定(BER Test Setup):

要执行BER测试,可使用ESG-D系列信号产生器来产生Bluetooth调变信号,并将它传送到待测设备。接收到的信号,会经由UUT选择路径和进行解调。接着,解调的Bluetooth信号会再送回ESG-D系列内部的BER分析仪(选项UN7),以进行检查。

内部的BER分析仪必须使用连续的PN9或PN15数据,才能正常的操作。将ESG-D系列任意波形产生器(选项UND),与Bluetooth专用软件搭配使用,可以产生DH1封包。因此,需要有频率和时闸信号,以复原解调的Bluetooth信号之负载数据(DH1封包)。

接收器辅助测试

Bluetooth RF Test Specification(1)所指定的接收器测试,并不需要用到跳频功能。将发射与接收频道设在频带相对的两端,就可确保主要的内建振荡器切换到极端的位置。有些中频选择,甚至要求在VCO中有较大的频率变化。

在这项量测中,信号源、接收器和待测设备都必须加以控制,以便使它们的跳频达到一致。待测设备必须设为回反模式(Loopback Mode)。E6432A也可以当作前面所提到的宽带RF干扰信号源。

Bluetooth RF Test Specification(1)所指定的电源电压测试,对于某些Bluetooth设备来说非常的严格。电源供应器测试,以及Bluetooth设备对于电源在线的虚拟信号之斥拒,是许多应用的整合测试很重要的部份。DH5脉冲期间的功率相对时间的量测,以及小心监测频率错误的量测,都是解决电源线相关问题的好方法。

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