安捷伦-蓝牙知识.doc

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。 安捷伦科技 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(Mismatch)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F2max和最大偏移的平均值F2avg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F1max和F2avg。然后，利用已储存的F2max，产生F2max/F1max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品质量测，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品质量测，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