（通信与信息系统专业论文）蓝牙模块测试的研究与应用.pdf

中文摘要 摘要：采用具有更高数据传输速率的2 0 + e d r ( e n h a n c e dd a t ar a t e ) 版蓝牙核心规范 引入了新的调制方式，支持多种蓝牙设备同时运行，并且降低了功耗。同时，蓝 牙2 0 射频规范，增加了e d r 射频测试。 本文首先简要介绍了蓝牙技术特性和蓝牙应用领域，叙述了蓝牙语音接入设 备的生产测试流程。对蓝牙2 0 射频规范进行了分析研究，从整体上把握了射频测 试的基本方法和蓝牙无线测试的解决方案。在此基础上，针对嵌入式蓝牙模块的 开发，讨论了生产和研发蓝牙模块射频性能的测试。考虑到蓝牙模块的校准和射 频测试是保证蓝牙产品质量的重要步骤，选择了一个有效并节省时间的蓝牙测试 策略。同时为了方便蓝牙模块研发，生产和测试过程，加快开发速度，提高生产 能力，开发了蓝牙模块自动化和半自动化测试软件来控制测试仪器的工作。 本文的主要工作在于： 1 对蓝牙模块开发和测试进行了研究，重点分析了蓝牙2 0 射频测试整体结 构，测试过程及测试结果。 2 基于蓝牙生产测试理论，定制了嵌入式蓝牙模块的生产测试计划。 3 分析了测试软件的开发流程，设计了蓝牙模块测试软件，实现了各个功能 模块。最后提出了进一步的研究方向。 关键词：射频测试；校准；蓝牙模块；测试软件 分类号：t n 9 1 9 7 2 a b s t r a c t ：b h e t c o t h2 0 + e d rs p o c i a t i o nt h a th a sh i g h e rd a t ar a t ei n t r o d u c e sn e w m o d u l a t i o ns c h e m e , s u p p o r t i n gs e v e r a lb l u e t o o t hd e v i c er u n n i n ga tt h es a n l et i m e p o w e rc o n s u m p t i o ni sr e d u c e d b l u e t o o t h2 0r fs p e c i a f i o na d de d rr ft e s t f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e sb r i e f l yb l u e t o o t ht e c h n o l o g yc h a r a c t c r s t i c s a n d a p p l i c a t i o na r e a i td e s c r i b e sm a n u f a c t u r i n gt e s tp r o c e s so fb l u e t o o t hv o i c ea c c e s s d e v i c e t h ed e t a i l e da n a l y s i so f b l u e t o o t hr f2 0s p e c i f i c a t i o ni sg i v e nt os h o wg e n e r a l t e s tm e t h o d so fr ft e s ta n ds o l u t i o no ft h eb l n e t o o t hw i r e l e s st e s t b a s e do nt h i s ，t h i s p a p e rd i s c u s s e sr fp e r f o r m a n c et e s to f 锄b c d d e db l u e t o o t hm o d u l e i nm a n u f a c t u r i n g a n dr & db e n c h c o n s i d e r i n gc a l i b r a t i o na n dr ft e s to fb l u e t o o t hm o d u l ea r et h e i m p o r t a n ts t a g e st o e n s u r et h eq u a l i f i c a t i o no fb i u e t o o t hp r o d u c t ，w ec h o o s ea n e f f e c t i v eb i u e t o o t ht e s ts c h e m e i no r d e rt ob ec o n v e n i e n tf o rr e s e a r c h i n ga n dt e s t i n g b l u e t o o t hm o d u l e , q u i c k e nd e v e l o p m e n t , a n di m p r o v et h ea b i l i t yo fp r o d u c t i o n , w e d e v e l o pa u t o m a t e da n ds e m i - a u t o m a t e dt e s ts o f t w a r eo fb l u e t o o t hm o d u l et oc o n t r o lt h e i n s t r u m e n t t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i sa r ea d d r e s s e dh e r e ： 1 r e s e a r c ho nt h ed e v e l o p m e n ta n dt e s to fb l u e t o o t hm o d u l e ，d e t a i l e da n a l y s i so f r ft e s ts u i t e ，t e s tp r o c e s s ，a n dt e s tr e s u l to f b l u e t o o t h2 0s y s t e m 2 b a s e d0 nb l u e t o o t hm a n u f a c t u r i n gt e s tt h e o r y , c u s t o m i z et h em a n u f a c t u r i n gt e s t p l a no f e m b e d d e db l u e t o o t hm o d u l e 3 a n a l y z et e s ts o f t w a r ed e v e l o p m e n tp r o c e s s , d e s i g nb l u c t o o t hm o d u l et e s t s o f t w a r e , a n di m p l e m e n tg e n e r a lf u n c t i o n p r o v i d ef u r t h e rr e s e a r c ho r i e n t a t i o ni nt h e e n d k e y w o r d s ：r ft e s t ；c a l i b r a t i o n ；b l u e t o o t hm o d u l e ；t e s ts o f t w a r e c l a s s n o ：t n 9 19 7 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：阜嗣i 式 导师签名： 南乏k 签拿日期：1 1 年1 1 月砒日 签字日期：7 川年1 1 月彩日 北京变通火学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：学棚警躐 签字日期：2 0 门年1 2 月扎日 致谢 本论文的工作是在我的导师高强博士的悉心指导下完成的，高强博士严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来高强 老师对我的关心和指导。 同时，我还要感谢所有一起开发项目的其他工作人员和研究生的帮助：陈鹏 辉，曹亮，罗光华，罗文辉，何凌，山海淼。与他们一起学习，工作和生活让人 非常愉快。 另外也感谢我含辛茹苦的母亲，这么多年来她的理解和支持使我能够在学校 专心完成我的学业。 三年的学习与生活中，我得到了周围许多老师、同事与朋友的帮助，他们的 热情指导与关心我将终生难忘。值此论文完成之际，我衷心的感谢所有曾经帮助 过我的人们。 引言 1 引言 1 1 论文的工程背景和意义 1 1 1 蓝牙技术的发展 蓝牙是一种低功耗的无线技术。它提供低成本，近距离的无线通信，构成固 定与移动设备通信环境中的个人网络，使得近距离内各种信息设备能够实现无缝 资源共享。蓝牙技术工作在全球通用的2 4 g h zi s m ( 工业、科学、医学) 频段【l 】， 从而消除了“国界”的障碍。蓝牙的数据速率为1 m b s 。任意蓝牙设备一旦搜寻到 另一个蓝牙技术设备，马上就可以建立联系，而无需用户进行任何设置，在无线 电环境非常嘈杂的环境下，其优势更加明显。蓝牙技术规范v 2 0 使传输速率从 i m b s 提高到3 m b s ，为蓝牙技术在未来移动通信系统( 3 g 、b 3 g ) 和音频视频 领域的应用奠定了基础。 蓝牙既支持电路交换也支持分组交换。蓝牙支持最大可达3 个同步语音信道。 同时也支持非同步数据信道，或者一个信道同时支持同步语音和非同步数据。蓝 牙采用时分双工( t d d ) 方案来实现全双工传输。一个典型的单时隙帧每秒跳1 6 0 0 次。多时隙帧由于节省了头信息开销而具有更高的数据速率。比如，单时隙帧的 单向速率最大为1 7 2k b s ，而一个5 1 ( 5 表示一帧内的发送包的时隙数，l 表示接 收包的时隙数) 的多时隙帧则支持发送率为7 2 l k b s 和接收率为5 7 6 k b s ( 对m a s t e r ， 即主控设备而言) 。 另外，蓝牙系统的移动性和开放性使得安全问题极其重要。虽然蓝牙系统所 采用的跳频技术就已经提供了一定的安全保障，但是蓝牙系统仍然提供了链路层 和应用层的安全管理。在链路层中，蓝牙系统提供了认证、加密和密钥管理等功 能。每个用户都有一个个人标识码( p i n ) ，它会被译成1 2 8 b i t 的链路密钥( l i n kk e y ) 来进行单双向认证。一旦认证完毕，链路就会以不同长度的密码( e n e r y p t i o n k e y ) 来加密( 此密码以8 b i t 为单位增减，最大1 2 8 b i t ) 链路层安全机制提供了大量的认 证方案和一个灵活的加密方案( 即允许协商密码长度) 。当来自不同国家的设备互 相通信时，这种机制是极其重要的，因为某些国家会指定最大密码长度。蓝牙系 统也支持高层协议栈的不同应用体内的特殊的安全机制。比如两台计算机在进行 商业卡信息交流时，一台计算机就只能访问另一台计算机的该项业务，而无权访 问其它业务。蓝牙安全机制依赖p i n 码在设备问建立信任关系，一旦这种关系建 北京交通大学硕士学位论文 立起来了，这些p i n 码就可以存储在设备中以便将来更便捷的连接。 由于蓝牙技术独立于不同的操作系统和通信协议之外，可以移植到许多应用 领域，因而应用场合很普遍。蓝牙力求与不同的操作系统和通信协议有良好的接 口，从而保证一定的兼容性。蓝牙技术适用于任何数据、图像、声音等短距离通 信场合。 1 1 2 蓝牙在f m c 领域现状 f m c ( f i x c dm o b i l ec o n v e r g e n c e ) 即固网移动融合，是指网络的业务提供与接入 技术、终端设备相独立。从用户角度来看，f m c 的目的是使用户能通过不同的接 入网，享受相同的服务，同时，它能实现终端设备在这两种网络之问无缝漫游。 随着计算机网络，蜂窝网络和移动电话技术的迅猛发展，f m c 应用得到越来 越多运营商的推宠。针对各个国家现有的网络基础结构和运营商服务的模式，应 当选择适用的接入网技术，实现固网和移动网的融合。 蓝牙技术可用于各种短距离通信的场合，同样能够用于实现无绳电话的功能。 蓝牙协议中的蓝牙电话控制协议部分规定了如何使用蓝牙技术来进行电话控制， 并且蓝牙c t p ( c o r d l e s st e l e p h o n yp r o f i l e ) 即无绳电话应用模型规定了如何按照蓝 牙电话控制协议以及其他蓝牙协议来实现蓝牙无绳电话的功能。蓝牙c t p 中定义 了两种网元：蓝牙语音网关和蓝牙语音终端。其中蓝牙语音网关与p s t n 网络连 接，是蓝牙语音终端接入p s t n 网络的接入点( a p ) ，为蓝牙语音终端提供服务， 使其可以接打p s t n 电话【2 】。通过使用蓝牙无绳电话使得p s t n 服务具有一定的移 动性。如果将蜂窝网络终端与蓝牙语音终端结合起来，这样的二合一终端便能将 移动网络和p s t n 网络结合起来，形成一个f m c 网络。 蓝牙c t p 解决方案已经趋于成熟。针对发展中国家的p s t n 网络和发达国家 的m 网络和宽带网络，蓝牙c t p 使得蓝牙手机能够访问固网和移动网业务。蓝牙 a p 综合了接入网的成熟应用和短距离无线技术的最新发展，成功地集合了两个技 术。通过在移动网和固网| 、b j 的无缝切换，用户将享受更优质的服务。经过捆绑的 f m c 服务的个性化，便捷化，低资费对消费者具有很大的诱惑力。 1 1 3 蓝牙p s t n a p 的生产 项目小组推出了c t p p r t s p 语言接入网关的方案，开发了蓝牙p s t na p 语音网 关并投入生产。产品生产线的流程如图1 - 1 所示。 2 引言 口 图1 - 1 生产测试流程图 f i g u r e1 - 1m a n u f a c t u r i n gt e s tf l o wc h a l t 如图1 1 所示，从贴片到产品交付，整个生产测试流程包括1 7 个步骤，按职 能和所用设备的不同，这些步骤被分配到8 个生产站，在图中用颜色的不同来区 分生产站。 依次进入的生产站分别是：焊接站、标识站、烧录站、调测站、功能测试站、 组装站、定制站、包装站。 ( 1 ) s m t ：贴片机贴片。 ( 2 ) s m t - q c ：检查有无短路和焊接。 ( 3 ) w o r k e r s o l d e r i n g ：把不能贴片的物料插在规定的位置，然后手工焊接。 ( 4 ) p a s t eb a r c o d ea n dt e s tr e c o r dl a b e l ：把事先打印好的条形码贴在p c b 指 定的位置。 ( 5 ) p o w e r - u pc o n n e c t i v i t y t e s t ：上电，检测按键和l e d 是否正常工作。 3 目国圈 北京交通大学硕士学位论文 ( 6 ) d o w n l o a db tf i r m w a r ec o m b i n e d 诵t l lp s k e y ：烧录蓝牙固件和专用于 生产测试的p s k e y ( ( p e r s i s t e n ts t o r ek e y ) 。 ( 7 ) d o w n l o a da s i cf i r m w a r e ：写入a s i c 固件。 ( 8 ) a s cc l o c kc a l i b r a t i o n ：校准a s i c 时钟。 ( 9 ) a s i cv a gc a l i b r a t i o n ：校准a s i c 参考电压。 ( 1 0 ) r ft e s t ：蓝牙射频测试。 ( 1 1 ) f u n c t i o nt e s t ：功能测试。 ( 1 2 ) a s s e m b l y ：组装。 ( 1 3 ) p a s t el a b d ：贴上定制标签。 ( 1 4 ) c u s t o m i z a t i o n ：定制。 ( 1 5 ) p a c k i n g ：入盒、装箱。 ( 1 6 ) p r d q c ：产品抽测。 ( 1 7 ) s 1 l i p p i n g ：存入出货库。 1 2 论文的组织结构 论文共分为六章。第一章介绍了论文的工程背景、研究意义和论文组织结构。 第二章从蓝牙射频的知识出发，详细论述了蓝牙射频测试的原理和步骤。第三章 依照面向测试的设计准则，介绍了嵌入式蓝牙模块的开发。第四章介绍了生产测 试的原理，并制定了蓝牙模块生产测试方案。第五章系统描述了测试系统软件的 开发流程，并自主开发了蓝牙模块测试软件。第六章对项目所作工作进行了总结， 同时指出了下一步的工作方向。 4 蓝牙射频测试分析 2 蓝牙射频测试分析 2 1 蓝牙射频协议 2 1 1 蓝牙协议栈 射频协议处于蓝牙协议中的最底层，主要解决如何收发空中数据的问题。蓝 牙协议栈的基本结构如图2 1 所示。 h o s t c o n t r o l l e r i n t e r f a c e 图2 - 1 蓝牙协议栈基本结构 f i g u r e2 - 1b l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c k b a s i cs t r u c t u r e 整个蓝牙协议体系结构可分为底层硬件模块、中间协议层( 软件模块) 和高 端应用层【3 】三大部分。图2 1 中所示的链路管理层( l ，m ) 、基带层( b b ) 和射频 层( r f ) 属于蓝牙的硬件模块。r f 层通过2 4 g h z 无需授权的i s m 频段的微波，实 现数据位流的过滤和传输，它主要定义了蓝牙收发器在此频带正常工作所满足的 要求。b b 层负责跳频和蓝芽数据及信息帧的传输。l m 层负责连接的建立和拆除【4 】 以及链路的安全和控制。它们为上层软件模块提供了不同的访问入口，但是两个 模块接口之间的消息和数据传递必须通过蓝牙主机控制器接口( h c i ) 的解释才能 进行。也就是说，h c i 是蓝牙协议中软硬件之间的接口，它提供了一个调用下层b b 、 l m 、状态和控制寄存器等硬件的统一命令接口。h c r 协议以上的协议软件实体运 行在主机上，而h c i 以下的功能由蓝牙设备来完成，二者之间通过一个对两端透明 的传输层进行交互。 5 北京交通大学硕士学位论文 中间协议层包括逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ：l o g i c a ll i n kc o n l r o la n d a d a p t a t i o n p r o t o c 0 1 ) 、服务发现协议( s d p ：s e r v i c e d i s c o v e r y p r o t o c 0 1 ) 、串口仿 真协议( r f c o m m ) 和电话通信协议( t c s ：t e l e p h o n ec o n 缸 o lp r o t o c 0 1 ) 。l 2 c a p 完成数据拆装、服务质量控制和协议复用等功能，是其他上层协议实现的基础， 因此也是蓝牙协议栈的核心成分。s d p 为上层应用程序提供一种机制来发现网络中 可用的服务及其特性。r f c o m m 依据e t s i 标准t s 0 7 1 0 在l 2 c a p 上仿真9 针r s 2 3 2 串口的功能。t c s 提供蓝牙设备间话音和数据的呼叫控制信令。 在蓝牙协议栈的最上部是高端应用层，它对应于各种应用模型，是应用模型 的一部分。 2 1 2 蓝牙射频主要特性 蓝牙射频的主要特性如表2 1 所示。 表2 - 1 蓝牙射频主要特性 1 h b i e2 一lb l u e t o o t hr fm a i nc h a r a c t e r i s t i c s 特性规范备注 载波频 2 4 0 0 - - 2 4 8 3 5m h z ( i s m 频段)f = 2 4 0 2 + k m h z k = 蛊 0 ，1 ，2 ，7 8 调制标准b t 为0 5 的高斯滤波2 f s k 为lm数字f m 调制 毓号h峰值频率偏移为1 7 5 调制指数：0 2 8 0 3 5 ( 通常为0 3 2 ) k h z b t 为0 2 5 的l r 4 - d q p s k 为2m 符号s b t 为0 1 2 5 的8 d p s k 为3 m 符号s 跳频1 6 0 0 矽b 每秒( 正常运行)信道跳频序列使得工 信道带宽1 m h z作时能够定期等概率 1 ) p a g c g ) b 频序列 地使用各个信道。 2 ) p a g e 响应序列系统有五种不同的跳 3 ) i n q u 时序列 频序列。 4 ) i n q u i r y 响应序列跳频序列的周期为2 3 5 ) 信道跳频序列小时1 8 分 前四种受限的跳频序列只是在建立连 接的时候使用。正常的工作信道伪随机 跳频序列是由主设备的时钟和设备的 蓝牙地址决定的。 6 蓝牙射频测试分析 发射功 c l a s s1 ：0 d b m 2 0 d b mc l a s s1 功率控制： c l a s s2 ：6 d b m + 4 d b m+ 4 + 2 0 d b m ( 规定) 窒 c l a s s3 ：最大功率0 d b m3 0 + 4 d b m ( 可选) c l a s s2 功率控制： - 3 0 0 d b m ( 可选) c l a s s3 功率控制： - 3 0 0 d b m ( 可选) 运行范 1 0 。一1 0 。( c l a s s1 可达1 0 0 。) 范围依赖于干扰的程 围度 最大传非对称信道一个方向的最大的传输速由于数据传输时，每个 输速率 率为7 2 1 k b s ，反方向的最大传输速率为数据包都带有协议包 5 7 6 k b s 。对称信道的双向传输速率为头，所以实际的传输速 4 3 2 6 k b s 。e d r 为3 m b s ，实际传送数 率小于1 m s y m b o l s 。 据的最大速率可以达到2 i m b i t s 。 此外，蓝牙基带链路控制器( 硬件) 和链路管理器( 软件) 规定了设备采用 的链路类型( 2 种) ，分组类型( 5 种，e d r 再加四种) ，纠错类型( 3 种) ，鉴全 方式( 3 种) ，加密，测试模式。蓝牙以时分双工( t d d ) 的方式传输，每个时隙 代表一个频点，主设备在偶时隙传输数据，从设备在奇时隙传输数据，语音流或 数据流以分组的形式传输。 2 1 3 蓝牙2 0 射频测试整体结构 蓝牙s i g 建议的蓝牙射频测试指标如表2 2 所示。 表2 - 2 蓝牙射频测试整体结构 t a b l e2 _ 2b l u e t o o t hr ft e s ts u i t es t r u c t u r e 蓝牙射频层认证测试案例标识符 发射机测试 输出功率t r m c a 0 1 c 功率密度 t 】r 压c a 0 2 c 功率控制 t r m ，c a 0 3 c 发射机输出频谱一频率范围t 刚c a 0 4 c 发射机输出频谱一2 0 d b 带宽t r 硎c 0 0 5 c 发射机输出频谱一相邻信道功率 t 鼢蚺f c a 0 6 f c 调制特性t r m c a 0 7 c 初始载频偏差t r 妣a 0 8 c 7 北京交通大学硕士学位论文 载频漂移t r c a j f c 接收机测试 单时隙包灵敏度 r c v c 氏 0 1 f c 多时隙包灵敏度r c 、 | c 射娩| e c i 性能删| c 乜c 阻塞性能r ( n | c 啦| c 互调性能r c n c 久 0 5 f c 最大输入电平 r c v c a 0 6 f c 蓝牙e d i 澍频测试整体结构 发射机测试 e d r 相关传输功率 t r m ，c a i o c e d r 载波频率稳定性和调制精度 t r m ，c a 11 c e d r 差分相位编码t r m a 1 2 c e d r 带内寄生辐射 t r m c a 1 3 c 接收机测试 e d r 灵敏度r ( n | c 0 7 c e d rb e r 性能水平r c q | e 嗡| e e d rc i 性能忌n | c a 0 9 | e e d r 最大输入电平 r c v c a 1 0 c 注：标识符格式是( t e s t ) c a n n c ，其中 t r m = t r a n s m i t t e rt e s t 发射机测试 t r c = t r a n s c e i v e rt e s t 收发机测试 r c v = r e c e i v e rt e s t 接收机测试 c a = c a p a b i l i t yt e s t 能力测试( 定义测试类型) n n = t e s tp u l p o $ on u m b e r 测试序号 c = c o n f o r m a a c e t e s t 蓝牙测试系统专门执行的一致性测试( 定义范围) 2 2 蓝牙2 0 发射机测试 发射机的测试条件如表2 - 3 所示。 表2 - 3 发射机测试条件 t a b l e2 - 3t r a n s m i a e rt e s tc o n d i t i o n s 蓝牙射频测试分析 输出功率 o n环回模式1d h 5 2p r b s 93 m h z r 卧 3 m h z v b w 功率密度o n环回模式1d h 5 2 p r b s 9 1 0 0 k h zr b w 1 0 0 k h zv b w 功率控制 o f r环回模式1d h lp r b s 93 m h z r b w 3 m h z v b w 发射机输 o f f环回模式1d h 5 或p r 联91 0 0 k h zr b w 出频谱一频d m 5 23 0 0 k h zv b w 率范围 发射机输 o f r环回模式1d h 5 或p r b s 91 0 k h zr b w 出频谱 d m 5 23 0 k h zv 戡 ， 一2 0 d b 带 宽 发射机输 。行环回模式1d h lp r b s 91 0 0 k h zr b w 出频谱一相 3 0 0 k h zv 默 邻信道功 蛊 调制特性 o f f环回模式1d h 5 或1 1 1 1 0 0 0 0 d m 5 21 0 1 0 1 0 1 0 初始载频 o n 环回模式1 d h l p r b s 9 偏差 载频漂移o n环回模式1d h l1 0 1 0 1 0 1 0 d h 3 d h 5 2 e d r 发射机测试条件 e d r 相关 o f r环回模式1 2 d h x 或 p r b s 93 h h z r b w 传输功率 2 e v x3 h h z v b w 3 - d h x 或 3 - e v x 2 3 e d r 载波 o f r环回模式1 2 d h 5 或 p r b s 9 频率稳定 3 - d h 5 2 ，3 性和调制 精度 9 北京交通大学硕士学位论文 e d r 差分 。仃发射机模式2 - d h l 或p r b s 9 相位编码 2 e v 3 3 d h l 或 3 - e v 3 2 3 e d r 带内 o f f环回模式2 - d h x 或p r 醚沿1 0 0 k h zr 戬 f 寄生辐射 2 e v x 3 0 0 k i - i zv 团 ， 3 - d h x 或 3 - e v x 2 ，3 1 如果无法使用环回模式，可以用发射机模式( 1 x ，t r a n s m i t t e rm o d e ) 进行 测试。 2 如果不支持此包格式，使用支持的最长的包格式( 携带支持的最长的净荷长 度) 。 3 根据测试的调制方式选用不同的包，前缀2 用于n 4 d q p s k ，前缀3 用于 8 d p s k 。 蓝牙系统的跳频特性增加了信号解析的复杂度。在功能性测试中，要选择跳 频这个选项；而在参数性测试中，这个选项不是必须的。为了减少变量的数目并 提高单项测试的准确度，在许多的测试项中，跳频选项都是关闭的。我们可以把 发射信道和接收信道固定在两个信道上，使设备中的压控振荡器进行频率切换的 测试。 净荷数据有三种类型：p r b s 9 用于模拟实际信号，1 0 1 0 1 0 1 0 码用于测试调制 滤波器的性能，1 1 1 1 0 0 0 0 码用于测试高斯滤波器的性能。 蓝牙设备有三种运行模式：正常模式，发射机测试模式，环回测试模式。其 中，后两者为两种不同的测试模式。为了让从设备进入测试模式。主机需要发送 一个l m p 命令。 在正常模式下，主设备发送p o l l 分组，从设备收到p o l l 分组后发送n u l l 分组作为响应。在环回钡0 试模式下，从设备将主设备发送过来的分组解码，使用 同样的分组类型将净荷发回给主设备。在发射机测试模式下，从设备根据主设备 发送的p o l l 分组所携带的指令，发回指定类型的分组。 2 2 1 功率测试 功率测试包括输出功率( 一个b u r s t 下的平均功率和最大峰值功率) ，功率密度， 功率控制，和e d r 相对传输功率。功率测试可以确保有足够高的功率等级来维持 链接，有足够低的功率等级减少i s m 频段的干扰和最大化电池的寿命。 1 0 蓝牙射频测试分析 ( 1 ) 输出功率 j p1 l b u r s t w i d t h 0 一j 伟f a l li l l n e 图2 - 2 功率一时间特性 f i g u r e2 - 2p o w e r - - t i m i n gc h a r a c t e r i s t i c s 输出功率测量是在时域下进行的，因为蓝牙信号是时分双工的脉冲序列。如 图2 2 所示，在上升沿触发，获取一个可视信号。上升沿的时日j 越小，获取可视信 号越快，理想状态下的上升沿时间为零，即垂直于时间轴。 测试一个蓝牙分组，找到脉冲的最大功率值。计算一个脉冲持续时间的 2 0 - - 8 0 的平均值即为平均功率值，也p q 3 d b 平均功率。 这项测试执行起来很快，提供了关于发射功率的重要信息。它用于检查功率 放大器( p a ) 的运行。功放是电路的重要组成部分，影响链路连接的建立，电池 寿命，以及某些故障。由于测试输出功率过程中使用了跳频信号，所以也可以检 查跳频电路。如果测试主序列前，进行了功率校准，可以取消输出功率测试。 ( 2 ) 功率密度 测试时，首先把信号分析仪的中心频率设置在蓝牙频带的中心频点上，并使 得频率范围覆盖整个蓝牙频段，设置频率分辨率为1 0 0 k h z 。用单扫频方式扫描并 打开最大读值锁定功能，这样就能得到频率功率曲线上的功率最大值。然后，把 频谱分析仪的频率固定在功率最大值时的频率上，然后再测量一分钟内得到的功 率值，求其平均值就得到最大功率密度值【1 0 l 。 这项测试是验证最大r f 输出功率密度符合e t s3 0 03 2 8 标准的要求，即要满 足： 功率密度 1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) 1 0 0 k h z ( 1 ) 北京交通大学硕士学位论文 这项指标测试功率放大器以及调制器和跳频电路。由于功率密度测试需要耗 费很长的时间，所以不建议在测试计划中包含这项指标。 ( 3 ) 功率控制 功率控制的测量方式与平均功率相同，区别在于它只测最低的、中间的和最 高的三个离散频道。功率控制要确保功率等级和功率控制步长在指定的范围内。 蓝牙规定的范围是： 2 d b 功率控制步长8 d b c l a s s l 设备的最低功率p a y 4 d b m ( 2 ) ( 3 ) 这项指标测试功率控制的校准，确保功率值和功率控制步长大小在指定的范 围内。如果设备不支持功率控制，可以不测试这项指标。这项测试对于通过动态 电平控制使得电池寿命最大的设备来说是很有用的，它测试功放控制。功率级别l 的设备需要进行功率控制。功率控制用于限制发射功率使之不超过0 d b m ，在0 d b m 以下时，发射机功率控制是可选的，主要用于优化功率消耗和整体的干扰电平。 功率输出增益控制采用了一种单调序列步进方式，这种步进增益由两种方式组成， 一种是高步进增益( 每步8 d b ) ，另一种是低步进增益( 每步2 d b ) 。一个具有2 0 d b 、 功率级别为1 的设备必须具有调整其功率到达4 d b 以下的能力。具有功率控制功 能的设备在其工作过程中通过使用链路管理协议( l m p ) 来获得最佳输出功率。 功率控制通过测量接收信号强度指示( r s s i ) 来实现，如果需要进行功率调整就 返回一个报告。在一次连接中，如果接收设备不支持发送功率控制信息，发送端 就不能使用功率控制，这时发送端使用功率级别2 和3 的规则。 ( 4 ) e d r 相关传输功率 e d r 分组传输时，g f s k 和d q p s k 调制方式是同时存在的。这项指标是确保 设备的每种调制方式的发射功率都在允许的范围内。首先，d u t 以最大的发射功 率在最低的发射频道上发送所支持的最长类型的分组，跳频是关闭的，并且中心 频率就是d u t 的发射频率。测试所用的扫描时间即为使用的分组的长度。 然后，计算平均功率时，至少要利用g f s k 和d q p s k 的分组长度的8 0 0 , 6 。分 别在中间的频道和最高的频道重复低频的测试过程。d u t 发射机在以最低的功率 重复上面的整个过程。 对增强数据速率类型分组中g f s k 和p s k 部分的相关能量的定义如下。在接 收码( a c c e s sc o d e ) 和分组头( h e a d e r ) 传输过程中的平均功率定义为圪，而同 步序列( s y n c h r o n i z a t i o ns o q 嘲c e ) 和负载( p a y l o a d ) 传输过程中的平均功率定义 1 2 蓝牙射频测试分析 为昂。对于每个独立的增强数据速率分组类型的传输嘲，测试所得到的六个输 出结果都应该满足下面的条件： ( 圪一4 d b ) 昂 a f 2 a v g 0 8( 1 1 ) a f l a v g 这项指标测量信号的频偏，是生产测试计划中最重要的测试部分之一，用于 测试波形调制的质量。低的调制质量可能会导致较差的灵敏度，高的调制质量将 会显示出一个小的频谱扩展。此项指标用于检查调制前端滤波器和调制器的性能， 以及本地晶振电路的稳定性。 ( 2 ) 初始载波频率偏移 初始载波频率偏差测试也叫频率偏移测试。测试标准要求在跳频和非跳频下 都进行测量。使用的是标准d h l 分组，通过分析d h l 初始的四个比特，即前导比特， 可以确定频率偏差即偏离中心频率的大小。初始载波频率偏差测量的是解调信号， 解调后得到每个前导比特的频率偏移并且求其平均值，记作f 0 ，f 0 要满足以下条 件： 一7 5 k h z f o f h + 7 5 k h z ( f t x 为标准的工作频点)7 ( 1 2 ) 这项指标验证发射机载波频率的准确性，测试发射脉冲的功能以及合成器安 置时间。此项测试检查电路中晶体振荡器的精度。发射机初始中心频率f 必须是 取自f o 7 5 k h z 。 ( 3 ) 载波频率漂移 载波频率漂移测试的是在一个数据包内，发射机中心频率的漂移。与前面两 个测试( 调制特性和初始频率偏移) 相同，载频漂移也是根据解调后的信号来测 试的。 载荷数据比特由重复的1 0 1 0 比特序列组成的，我们把4 d 导言比特频率的绝对 值作积分运算，求出初始载频f n ，然后我们对接下来的载荷数据的频率按l o 比特 为一组求积分得到各组数据比特的载频r ，载频漂移就是4 比特导言比特的平均频 率和l o 比特数据比特的平均频率的差值。我们把相邻的两个比特数据组之间的平 均频率的差值作为最大漂移率。我们不仅要在最低，中间，最高三个工作频点上 重复测试，还要在开跳频和关跳频，不同的包格式d h l 、d h 3 、d h 5 下进行测试。 以上所有的条件下得到的频率漂移值，都应该满足以下条件： 表2 4 载频漂移极限值 t a b l e2 - 4c a r d e rf r c q u e a c yd r i f tl i m i t s 1 5 北京交通大学硕士学位论文 包类型 频率漂移 单时隙包( d h l ) 2 5 l ( h z 三时隙包( d h 3 ) 4 0 k h z 五时隙包( d h 5 )4 0 k h z 最大漂移率满足：士2 0 k h z 5 0 口s 这项指标检查并确认分组里发射中心频率的漂移。对于模拟设计，这项测试 很重要，因为频率漂移时会发生很大的变化。对于使用i q 调制器的数字系统，虽 然载波频率漂移一般不会影响芯片，然而，如果有来自外置电路的上拉或下拉电 压，则载波频率依然会受到影响。 ( 4 ) e d r 载波频率稳定性和调制准确度 在发射模式或环回模式下，根据使用的调制方式，待测设备以最大的发射功 率发射调制方式中分组所支持的类型中长度最大的分组到测试机。在整个测试过 程中，跳频是关闭的，而且测试首先在最低的频点进行。测试机按照如下过程计 算发射分组的初始频率差错： 第一个前导比特的起始时刻，会产生一个p o 。然后计算包头比特和理想载波 频率的偏差。测试机会选择和包头前后相同的比特，以便消除内部符号干扰。表 示1 的分组的平均频率偏差命名为a w ，表示0 的比特的频率偏差命名为 a w ，。初始频率偏移用如下公式计算： w f = ( a w l + a w 2 ) 2 ( 1 3 ) 测试机使用初始频率偏移补偿分组的e d r 部分。带有o 4 因子的余弦滤波器 所产生的平方根和5 0 0 k h z 的3 d b 带宽应用于分组的加强数据数率部分。 然后，在同步比特的第一个字符开始，分组被划分为互不交迭的5 0 as 。每一 块( 5 0 as ) 的抽样相位和频率误差w 。用于计算每个符号的r m s ( r o o tm e a n s q u a r e ) d e v m ( d i f f e r e n f i a le r r o rv e c t o rm a g n i t u d e ) 。此过程将不断重复，直到2 0 0 个 5 0 as 块测量完为止。对调制准确度的度量是利用差分错误向量量级( d i f f e r e n t i a l e r r o rv e c t o rm a g n i t u d e ，d e v m ) 来跟踪载波的偏移。d e v m 是通过同步序列和分 组的有效载荷部分来定义的。对于每种调制方式和每种载波频率，d e v m 方式是 由总共超过2 0 0 个非重叠的分组形成，每个分组有5 0 个码字。 然后再在中间的频点和最高的频点下重复上述整个测试过程。测量结果要满 足如下条件： 载波频率稳定性： 1 6 蓝牙射频测试分析 - 7 5 k h z w j + 7 5 k h z 7 5 k h z _ ( w f + wo ) s + 7 5 k h z - 1 0 k h z w o + 1 0 k h z r m sd e v m ： r a m sd e v m - 0 2 0 ，r 4 - d q p s k r m sd e v m o 1 3 ，8 d p s k d e v m 峰值： d e v m _ 0 3 5 ，1 4 - d q p s k d e v m 0 2 5 。8 d p s k ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 2 0 ) 9 9 d e v m ( 定义为9 9 的标准信号的d e v m 的值有一个更低的d e 订) ： d e v m _ 0 3 0 万f 4 - d q p s k d e v m 0 2 0 ，8 d p s k ：( 2 1 ) ( 2 2 ) 这项测试检查调制的准确度和频率的稳定性是否在测试标准规定的范围内。 对于测试设备总的调制质量，这项测试非常有用。可以压制来自内部符号干扰的 影响，对于评定设备很有好处。还可以用于测试晶振的精度。 ( 5 ) e d r 差分相位编码 此项测试检查调制器差分相位编码数据的正确性。待测设备的跳频是关闭的， 并工作在发射模式下。根据调制方式，使用x d h i 或x - e v 3 分组( 这里的x 为2 或3 ， 根据使用的传输速率取值) ，分组净荷采用p r b s 9 。待测设备在最低的频段发射1 0 0 个分组到测试机，测试机解调这些分组，对解调的数据和期望的数据进行比较。 当9 9 的测试分组通过时，这项指标才算