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WIFIBT技术浅析 海信移动技术 2013 02 25 1WIFIBT简介2WIFI基本原理简介3WIFI相关射频测试指标介绍4BT基本原理介绍5BT相关射频测试指标介绍6WIFIBT相关问题探讨 1WIFIBT简介 WIFI全称WirelessFidelity 无线保真 属于在办公室和家庭中应用的一种短距离无线通信技术 是一个基于IEEE802 11系列标准的无线网路通信技术的品牌 它具有通信距离长 相比蓝牙 数据传输速率高等优势 无线通信的特点使得WIFI非常适合移动办公用户的使用 WIFI通信遵守的是802 11系列协议蓝牙是一种支持设备短距离通信 一般10m内 的无线电技术 能在包括移动电话 PDA 无线耳机 笔记本电脑 相关外设等众多设备之间进行无线信息交换 利用 蓝牙 技术 能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信 也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信 从而数据传输变得更加迅速高效 为无线通信拓宽道路 蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术 支持点对点及点对多点通信 工作在全球通用的2 4GHzISM 即工业 科学 医学 频段 其数据速率为1Mbps 采用时分双工传输方案实现全双工传输 2WIFI基本原理简介 802 11ac与802 11ad 802 11ac作为11n的延续 将沿用802 11n的MIMO 多进多出 技术 为它的传输速率达到Gbps量级打下基础 第一阶段的目标达到的传输速率为1Gbps 目的是达到有线电缆的传输速率 802 11ac每个通道的工作频宽将由802 11n的40MHz 提升到80MHz甚至是160MHz 再加上大约10 的实际频率调制效率提升 最终理论传输速度将由802 11n最高的600Mbps跃升至1Gbps 802 11ad的出现针对的是多路高清视频和无损音频超过1Gbps的码率的要求 它将被用于实现家庭内部无线高清音视频信号的传输 为家庭多媒体应用带来更完备的高清视频解决方案 工作频率在60GHz 通过对MIMO技术的支持 在实现多路传输的基础上 将使单一信道传输速率过1GHz 目前802 11ad草案中显示的资料表明其将支持近7GHz的吞吐量 1 直序列扩频调制技术 DSSS DirectSequenceSpreadSpectrum IEEE802 11WLAN的关键技术 2 正交频分复用技术 OFDM OrthogonalFrequencyDivisionMustiplexing 3 MIMO MultipleIn MultipleOut 小结 802 11协议的演进过程本质上是调制技术的演进过程 用户感受到的直观效果是数据传输速率翻倍提高 当然 数据传输速率提高的代价是对发射信号的调制精度要求的增加 特别是802 11n协议 所采用技术上的复杂性使得对器件校准 一致性以及器件性能方面的要求更加严格 为保证能与802 11b设备在空间和频段上共同使用的兼容性 802 11g在系统工作时使用与802 11b相同格式的头文件通知相邻11b设备 我要发送数据 这样周围的11b设备就会 保持安静 而不对设备的发射信号造成干扰 并且11g使用的调制方式与11b不同 邻近的11b设备不会接受信息数据 从而实现了两种不同标准的系统互不干扰地共享同一频段资源 手机连接到热点 连接速率机制 EACK协议中 我们提议让MPDU的MAC头以基本速率发送 而MSDU以高速率发送 这样节点发现目远端的节点 或者信道较差的节点 可能解码低速MAC头 从而获得源地址和目的地址 如果接收的地址正是自己 即使接收节点不能对高速的MSDU解码 也可以发送一个修正的ACK帧给源节点 而且 类似于RBAR协议 接收节点可以基于收到的数据帧的SNR计算合适的发送速率 并利用ACK帧告知发送方 如果源节点接收到ACK帧 获知MSDU不能被解码 那么可以以合适的速率重新发送数据帧 而不必增加竞争窗口 如果接收节点连PLCP头和MAC头也不能解码 则假设数据由于碰撞遭到损坏 帧结构 802 11mac帧格式 针对帧的不同功能 可将802 11中的MAC帧细分为以下3类 1 控制帧 用于竞争期间的握手通信和正向确认 结束非竞争期等 2 管理帧 主要用于STA与AP之间协商 关系的控制 如关联 认证 同步等 3 数据帧 用于在竞争期和非竞争期传输数据 802 11帧格式 数据帧 控制帧 RTS帧 CTS帧 ACK帧 PS POLL帧 请求发送 RTS 清除发送 CTS 管理帧 ManagementFrames 管理BeaconProberequestProberesponseAuthenticationAssociationRequestAssociationResponseReassociationRequestReassociationResponseDisassociationDeauthenticationATIM M M P D U Beacon 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Protocolversion Type SubType ToDS FromDS MoreFrag Retry PowerMgMT MoreData ProtFrame Order Framebody FCS Address1 Address2 Address3 Framecontrol Duration ID SequenceControl 802 11Beacon管理帧 探测请求 ProbeRequest 连接响应帧 AssociationResponse 重连接请求帧 ReassociationRequest 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Protocolversion Type SubType ToDS FromDS MoreFrag Retry PowerMgMT MoreData ProtFrame Order Framebody FCS Address1 Address2 Address3 Framecontrol Duration ID SequenceControl 802 11重连接请求帧 重连接响应帧 ReassociationResponse 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 Protocolversion Type SubType ToDS FromDS MoreFrag Retry PowerMgMT MoreData ProtFrame Order Framebody FCS Address1 Address2 Address3 Framecontrol Duration ID SequenceControl 802 11重连接响应帧 解除连接帧 Disassociation 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Protocolversion Type SubType ToDS FromDS MoreFrag Retry PowerMgMT MoreData ProtFrame Order Framebody FCS Address1 Address2 Address3 Framecontrol Duration ID SequenceControl 802 11解除连接帧 解除认证帧 Deauthentication 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Protocolversion Type SubType ToDS FromDS MoreFrag Retry PowerMgMT MoreData ProtFrame Order Framebody FCS Address1 Address2 Address3 Framecontrol Duration ID SequenceControl 802 11解除认证帧 ATIM ATIM AnnouncementTrafficIndicationMessage ATIM仅在ATIM窗口期间传送 ATIM没有负载 单台N4010A仪表针对发射机性能可提供的测试项目 1 对于802 11b DSSS 模式发射功率 仪表测量出WLAN发射信号的强度不同国家对最大功率的限值要求不同 如美国是30dBm 欧洲是20dBm 而日本是10dBm 我国入网规范的要求是 等效全向辐射功率应满足天线增益小于10dBi时 不大于100mW或不大于20dBm 天线增益不小于10dBi时 不大于500mW或不大于27dBm 3WIFI相关射频测试指标介绍 发射频谱掩模 发射频谱分布 N4010A提供的频谱显示 等同于使用频谱分析仪查看信号频谱 入网规范中对此并无要求 发射加电与掉电坡度 规范中要求对于DSSS和CCK方式 从最大功率的10 上升到90 的发射加电坡度应不大于2 s RF载波抑制 规范中要求对于DSSS和CCK方式 在信道中心频率处测量的RF载波抑制应比功率谱峰值至15dB 发射中心频率容限 入网规范要求对于DSSS和CCK方式 发射中心频率容限应小于 发射调制精度 规范中要求对于DSSS和CCK方式 最差情况的向量误差幅度不应超过归一化采样码片数据的0 35 功率时间关系 该项目为安捷伦提供的测试项 反映发射功率随时间的变化情况 规范中对此没有要求 I Q信号波形 仪表从发射信号中提取的I Q信息 不属于射频指标的内容 综合指标指示 该窗口将多种测试结果集合到一起显示 包括了EVM 频率偏移 数据速率 调制方式 码片时钟频率误差等指标 规范要求对于DSSS和CCK方式码片时钟频率容限小于 20ppm 2 对于802 11g OFDM 模式发射频谱掩模 发射频谱分布 发射机中心频率泄漏 规范中要求对于OFDM DSSS OFDM方式 发射机心频率分量的能量与发射总功率相比不超过 15dB 发射中心频率容限 入网规范要求对于DSSS和CCK方式 发射中心频率容限应小于 25ppm 发射机星座图差错 规范要求对于OFDM DSSS OFDM方式 在OFDM子载波 OFDM帧和分组上取平均后的相对星座RMS差错应不超过下表的限值 发射机频谱平坦度 规范要求对于OFDM DSSS OFDM方式 在谱线 16 1和 1 16中 每条谱线的星座图的平均能量与它们的总平均能量相比不超过 2dB 在谱线 26 17和 17 26中 每条谱线的星座图的平均能量与谱线 16 1和 1 16的平均能量相比不超过 2 4dB 功率时间关系 I Q信号波形 综合指标指示 该窗口将多种测试结果集合到一起显示 包括了EVM 频率偏移 数据速率 调制方式 符号时钟频率误差等指标 规范要求对于OFDM和DSSS OFDM方式符号时钟频率容限小于 25ppm 以上基于N4010A介绍了下WLAN发射指标 规范中对于接收机的指标要求包括 1最小输入电平2最大输入电平3相邻信道抑制附上行业指标要求和入库指标要求 入网入库WIFI射频测试项 无委测试主要测试24122472高低信道的TX指标泰尔测试主要关注24122472高低信道的54M11M接收灵敏度移动入库测试项 Tx关注11M54M的发射指标RX关注11b11g各个速率下最大接收电平 最小接收电平 邻信道抑制 吞吐量 4BT基本原理介绍 蓝牙是一种支持设备短距离通信 一般10m内 的无线电技术 能在包括移动电话 PDA 无线耳机 笔记本电脑 相关外设等众多设备之间进行无线信息交换 利用 蓝牙 技术 能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信 也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信 从而数据传输变得更加迅速高效 为无线通信拓宽道路 蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术 支持点对点及点对多点通信 工作在全球通用的2 4GHzISM 即工业 科学 医学 频段 其数据速率为1Mbps 采用时分双工传输方案实现全双工传输 蓝牙标准的发展 V1 1 1998年 为最早期版本 传输率约在748 810kb s 因是早期设计 容易受到同频率之产品所干扰下影响通讯质量 V1 2 748 810kb s的传输率 增加了 改善Software 抗干扰跳频功能 V2 1 2004年 改善了装置配对流程 短距离的配对方面 具备了在两个支持蓝牙的手机之间互相进行配对与通讯传输的NFC NearFieldCoMMunication 机制 具备更佳的省电效果 V3 0 2009年 核心是 GenericAlternateMAC PHY AMP 这是一种全新的交替射频技术 允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频 传输速率更高 功耗更低 V4 0 2010年 包括三个子规范 即传统蓝牙技术 高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术 蓝牙4 0的改进之处主要体现在三个方面 电池续航时间 节能和设备种类上 有效传输距离也有所提升 为60M 蓝牙技术的特点 很好的抗干扰能力和安全性 可建立临时对等连接 全球范围适用 同时传输语音数据 近距离通信 功耗低体积小 蓝牙技术特点 蓝牙工作在2 4GHz的ISM频段 全球大多数国家ISM频段的范围是2 4 2 4835GHz 蓝牙采用电路交换和分组交换技术 支持异步数据信道 三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道 主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备 几个蓝牙设备连接成一个皮网 Piconet 时 其中只有一个主设备 其余的均为从设备 蓝牙采用了跳频 FrequencyHopping 方式来扩展频谱 抵抗来自这些设备的干扰 提供了认证和加密功能 以保证链路级的安全 蓝牙设备在通信连 Connection 状态下 有四种工作模式 激活 Active 模式 呼吸 Sniff 模式保持 Hold 模式 休眠 Park 模式 Active模式是正常的工作状态 另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式 蓝牙技术通信距离为10m 可根据需要扩展至100m 以满足不同设备的需要 1 2 4GHzISM频段 ISM频段 IndustryScienceandMedicalBand 工业 科学 医学 信道数 79个 0 78 范围 2 402GHz 2 480GHz信道间隔 1MHz 2 调制方式 GFSK 载波向上频移157kHz表示 1 向下频移157kHz表示 0 速率是1Mbit s BT 0 5 0 5是将数据滤波器的 3dB带宽设定在500kHz 可以限制射频占用的频谱 调制指数 0 28 0 35采用跳频技术1600H s T 625 s采用时分复用多路访问技术 TDD 语音信道采用连续可变斜率增量调制 CVSD 数据速率 1MBit sgross 分组交换或电路交换模式 异步数据和同步语音功率 Class1 20dBm withPA Class2 4dBm 6 4dBm Class3 0dBm 3 FH TDDChannel 625ms t t master slave 4 跳频 slave master time 5 包的格式 接入码 包头 内容 72b 54b 0 2745b PREAMBLE SYNCWORD TRAILER 4 64 4 34 24 6 LSB MSB BCHLAPBRK 接入码 包头 AM ADDR HEC 3 1 8 AM ADDR TYPE FLOW ARQN slaveactivememberaddress payloadtype LCflowcontrol ACK NAK parameter information FLOW 1 ARQN 1 SEQN TYPE 4 SEQN retransmitordering HEC headererrorcheck 6 DH1 3 5分组结构 7 微微网 皮网 Master Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave 一个微微网可由8个蓝牙设备组成 在同一个微微网中 主设备为所有的设备提供时钟和跳频同步序列 在同一个微微网中 所有的设备有同样的跳频序列 8 分散网 Master Slave Slave Slave Slave Slave Master 两个或更多的微微网在重叠的区域可以建立特殊的呼叫 9 微微网的应用 一拖七 10 建立通信 Standby 缺省 Inquiry 查询 unknownaddress Page 寻呼 knownaddress Connection Activepower 活动 Sniff 呼吸 Hold 保持 Park 休眠 Standby 等待加入一个微微网 Inquiry 邀请周围的无线连接 Page 连接一个明确的无线链路 Connected 加入一个皮网 主设备或者从设备 5BT相关射频测试指标介绍 一 发信机测试 目前的蓝牙无线测试规范的版本为0 91版本 它定义了蓝牙无线测试指标及其测试方法 蓝牙无线测试配置包括一台测试仪和被测设备 EUT EquipmentUnderTest 其中测试仪作为主单元 EUT作为从单元 两者之间可以通过射频电缆相连也可以通过天线经空中传输相连 测试仪发送LMP指令 激活EUT进入测试模式 并对测试仪与EUT之间的蓝牙链路的一些参数进行配置 如测试方式是环回还是发送方式 是否需要进行跳频 分组是单时隙分组还是多时隙分组 分组的净菏是PN9 还是00001111 01010101 测试模式是一个特殊的状态 出于安全的考虑 EUT必须首先设为 Enalle 状态 然后才能空中激活进入测试模式 1 输出功率 测试仪对初始状态设置如下 链路为跳频 EUT置为环回 Loopback 测试仪发射净荷为PN9 分组类型为所支持的最大长度的分组 EUT对测试仪发出的分组解码 并使用相同的分组类型以其最大输出功率将净荷回送给测试仪 测试仪在低 中 高三个频点 对整个突发范围内测量峰值功率和平均功率 规范要求峰值功率和平均功率各小于23dBm和20dBm 并且满足以下要求 如果EUT的功率等级为1 平均功率 0dBm 如果EUT的功率等级为2 6dBm 平均功率 4dBm 如果EUT的功率等级为3 平均功率 0dBm 2 功率密度 初始状态同 1 测试仪通过扫频 在2400MHz频带范围内找到对应最大功率的频点 然后以此频点进行时域扫描 扫描时间为1分钟 测出最大值 要求小于20dBm 100kHz 3 功率控制 初始状态为环回 非跳频 EUT分别工作在低 中 高三个频点 回送调制信号为PN9的DH1分组 测试仪通过LMP信令控制EUT输出功率 并测试功率控制步长的范围 规范要求在2dB和8dB之间 4 频率范围 初始状态同 3 测试仪对EUT回送的净荷为PN9的DH1分组扫频测量 当EUT工作在最低频点时 测试仪找到功率密度下降为 80dBm Hz时的频点fL 当EUT工作在最高频点时 测试仪找到功率密度下降为 80dBm Hz时的频点fH 对于79信道的系统 要求fL fH位于2 4 2 4835GHz范围内 5 20dB带宽 初始状态同 3 EUT分别工作在低 中 高三个频点 回送调制信号为PN9的DH1分组 测试仪扫频找到对应最大功率的频点 并且找到其左右两侧对应功率下降20dB时的fL和fH 20dB带宽Df fH fL 要求Df小于1MHz 6 相邻信道功率 初始状态同 3 EUT工作频点分别为第3信道 第39信道和第75信道 回送净荷为PN9的DH1分组 测试仪扫描整个蓝牙频段 测试各个信道的功率 要求相邻第2道的泄漏功率小于 20dBm 相邻第3道及其以上的泄漏功率小于 40dBm 7 调制特性 初始状态同 3 EUT分别工作在低 中 高三个频点 测试仪以所支持的最大分组长度发送净荷为11110000的分组 并对EUT回送的分组计算频率偏移的峰值和均值 分别记为Df1max和Df1avg 测试仪以所支持的最大分组长度发送净荷为10101010的分组 并对EUT回送的分组计算频率偏移的峰值和均值 分别记为Df2max和Df2avg 要求满足以下条件 至少99 9 的Df1max满足140kHz115kHz Df2avg Df1avg 0 8 8 初始载波容限 EUT为环回状态 回送净荷为PN9的DH1给测试仪 测试仪先将链路置为非跳频 EUT分别工作在低 中 高三个频点 然后测试仪再将链路置为跳频 测试仪根据4个前导码计算载波频率f0 要求与标称频率fTX的差小于75kHz 9 载波频率漂移 初始状态同 3 EUT分别工作在低 中 高三个频点 回送调制信号为10101010的DH1 DH3 DH5分组 测试仪先根据4个前导码计算载波频率f0 然后每10比特净荷测试一次频率 其与初始载频的差为瞬时频率漂移 最后测试仪将跳频打开 重新测试所有频点下的瞬时频率漂移 瞬时频率漂移之间的差定义为漂移速率 对于DH1分组 要求每次的瞬时漂移小于25kHz 对于DH3 DH5分组 要求载波瞬时漂移小于40kHz 规范还要求载波漂移速率小于4000Hz 10 s 二 收信机测试 对于收信机测试来说 所有指标的测试都是基于误比特率的统计 并且至少要统计1600000个比特 众所周知 在误帧率较大的情况下统计误比特率没有任何意义 因此 为了准确测试收信机的性能 测试仪必须能测试由以下6种情况导致的FER CRC误差 不正确的净荷长度 同步字出错 HEC出错 EUT给MT8850A回送NACK分组 在预期的时隙内没有收到EUT发送的分组 下面介绍蓝牙收信机的测试 1 单时隙灵敏度 初始状态同1 1 3 EUT分别工作在低 中 高三个频点 回送调制信号为PN9的DH1分组 依照蓝牙规范的要求 测试仪控制其输出功率 以使EUT的收信功率为 70dBm 蓝牙规范允许EUT发送的射频信号具有75kHz的初始误差和40kHz的频率漂移 即总共允许有115kHz的误差 此外 还要考虑调制 符号定时等引起的误差 假如EUT的收信机性能由一个输出 完美 信号的测试仪来测试 其测试结果不足以提供冗余度来适应真正的无线传输环境 用户将得到一个关于收信机质量的错误结果 经验告诉我们 对于有扰测试 蓝牙收信机的灵敏度一般会劣化4 10dB 具体值与分组长度和蓝牙芯片种类有关 测试仪必须支持有扰发射 dirtytransmitter 见表1 将干扰加入到发送的蓝牙信号中 每20ms一组 从第一组依次到第十组 再返回第一组 不断重复 此外 蓝牙基带信号还受一正弦波调制 测试仪对误码率进行统计 要求误码率BER 0 1 此外 如果有条件的话 最好在跳频状态下再重新测试一遍 2 多时隙灵敏度 类似于单时隙灵敏度的测试 不过分组类型为DH3 DH5 3 C I性能 初始状态同1 1 3 EUT分别工作在低 中 高三个频点 测试仪发送的有用信号为净荷PN9的DH1分组 同时还发送净荷PN15的蓝牙干扰信号 有用信号和干扰信号的功率电平参见表2 测试仪进行误码率统计 要求BER 0 1 4 阻塞性能 阻塞特性是指在其它频段存在大的干扰信号时 接收机接收有用信号的能力 初始状态同1 1 3 EUT