Bluetooth RF测试
？ 全球的法规需求
？ Bluetooth技术认证
？ 简单、高良率的制造与测试
？ 与其它厂商的设计达到完美的相互操作性，他们的设计当中有些可能仅勉强符合Bluetooth规格而已
在以下的篇幅中，我们将检视设计的一些不同特性、研发测试的意涵、以及可让开发工作变得更容易的工具。接着，我们会说明如何执行这些测量，并讨论可预期的一些测量价值。
Bluetooth RF技术 – 概要
Bluetooth装置会在2.402到2.48 GHz的ISM频带内操作，通常是在79个信道上。它们利用一种名为0.5BT GFSK（高斯移频键控）的数字调频技术来互相进行通讯。这表示载波会以每秒100万个符号（或位）的速率上移157 kHz，以代表 '1'，或下移以代表 '0'。'0.5' 将–3 dB的数据滤波器频宽限定为500 kHz，藉此为占用的RF频谱设下限制。
两个装置间的通讯属于时分双工（TDD），意思是发射器和接收器依次在不同的时隙交替进行传输。此外，还使用高达1600 hops/s的超快跳频模式，来提高可能显得拥挤的频带内的链路之可靠度。如果最近的U.S. FCC规定预期频带的用量几乎确定会增加，那么可靠度就很重要了。
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图1. Bluetooth RF功率波封与VCO频率时序
图1显示在625μs的时隙中，传送和接收一个366μsDH1封包的可能时序。在下方轨迹可以看到安定时间间隔。在这个间隔中，装置必须跳至下一个信道频率，而电压控制振荡器（VCO）必须及时安定，以便发射或接收封包数据。请注意，封包的开头与RF丛发的上升缘并没有直接的相关，这可以从代表可能的替代上升缘之虚线看出来。丛发的上升缘也与时隙的开头无关。
所有的封包数据都传送出去之后，设计可能会立刻降低功率，或等到接近时隙末端才降低功率。
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图2. 直接调频的VCO，模拟鉴频器
图2所示的Bluetooth范例中的接收器布局只使用一个下转换。（灰色方块是不同设计中省略或交换零件的部份）。像这样的设计只会使用一个本地振荡器。输出的频率会提高一倍，而且会在接收与发射功能间切换。使用FSK可以对VCO进行简单的直接调制。基频数据会通过高斯滤波器，并在固定的时序延迟及没有过击的情况下进行特性分析。脉波仅应用于发射器。使用sample-and-hold 电路或相位调制器，可以防止锁相回路（PLL）去除频宽内的相位调制。中频通常会非常高，故可限制滤波器组件的实体大小，并确保IF频率距离LO频率够远，以达到满意的影像斥拒。
当位准够高而能过载接收器的输入时，可以使用天线交换。
功率–T- 输出放大器是一个选项，使用它可以提高Class 1（+20 dBm）输出版本所需的功率。位准准确度的规格并不严苛，但必须小心避免产生过多的功率输出，并确保电池不会发生非必要的消耗。
不论设计提供+20 dBm或较小的值，接收器都必须准备好提供接收信号强度指针（RSSI）信息，以使不同功率等级的装置可以相互操作。设计中像这样的功率上下变换现象，可以藉由控制放大器的偏压电流轻易地达到。
有别于DECT或GSM等TDMA系统，Bluetooth频谱测试并不会被闸控，以区隔功率控制和调制错误。测量间隔必须够长，才能捕获上下变换与调制所造成的效应。实际上，这可能不会造成认证问题，但时闸测量可能会因为具备迅速找出瑕疵的能力而变得非常重要。
如图3所示，有一些设计会在调制开始之前，利用非指定的周期来准备接收器。在此范例中，既不会发射1，也不会发射0。
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图3. 在FM前所应用的功率
频率错误 – Bluetooth规格中的所有频率测量，都有赖于4μs或10μs的短闸周期，这会造成结果的差异，我们可以透过几种方式来理解。第一，较窄的时窗代表测量频宽的截止频率较高，因此会在测量中包含各种噪声结构。第二种方法是考虑错误结构，例如测量装置的量化错误或振荡器旁带噪声，它们在短周期中产生的比例会高过于较长的测量间隔，因为在后一种情况中，这些错误往往会被平均掉。除了晶体参考所造成的静态错误之外，在设计限制中还必须考虑到这项事实。
频率漂移 – 漂移测量将短期、10位的相邻数据组，与长期的跨丛发漂移结果结合在一起。如果在发射器中使用sample-and-hold设计，则此设计所造成的错误可能会很明显。在其它的设计中，从4到100 kHz的多余调制成份或噪声，可以视同图形中的谐波。这证实是确认电源供应器已经充分去耦的另一种方法。
调制 – 在发射器路径中，图2所示的VCO采直接调制的方式。为避免PLL去除频宽内的调制成份，可以在传输时将它开启，或使用相位错误更正（两点调制）。sample-and-hold技术可能是有效的，但必须注意避免频率漂移。除非使用数字技术来调整合成器的除频比，否则就应校验相位调制器，以避免不同数据码型的调制响应缺乏平坦度。图4显示用于认证测试的典型调制模式。
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图4a & 4b. 用于认证测试的调制模式
Bluetooth RF规格会检查11110000和10101010两个不同码型的峰值频率差异。GMSK调制滤波器的输出在2.5个位之后达到最大，第一个码型会检查这一部份。GMSK滤波器的截止点和形状，可利用第二个码型来检查。
理想上，1010码型的峰值差异为11110000的88%，虽然有些设计因为在发射时未使用0.5BT的高斯滤波而显示较高的比值。最高的基本调制频率是500 kHz，即使位传输率为1 Msymbol/s。图4中左边图形的浅灰色轨迹，显示I/Q不平衡状态的效应。当拥有图7所示的方块图之系统未经完整校验时，便可能发生此种情形。
频内频谱 - '-20dB' 的测试确定调制与脉冲信号适合1 MHz的宽频。图5中的方块可被想成限制时窗。设定10 kHz的解析频宽，就是为了这个目的。因为振幅脉冲的关系，这项测量必须使用 'peak hold'。这种方法考虑到了偏离精确的中心频率之波形，所以将它变成一个？W率宽度？捸A而非固定的屏蔽。如果信号位于屏蔽中间，结果会非常类似。图5的圆点是封包起始码中的非数据0所造成的。
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图5. -20dB测量
相邻信道测量被指定为以一系列的随机频率测量来执行。非闸控扫描是检查这些问题的快速而简单的方法。与GSM、DECT和PDC等其它TDMA系统不同的是，即使是一项合并测量，仍然可能会使用到闸。
频外频谱 – 频率加倍技术常被用来防止RF耦合回VCO，而导致中心频率拖曳。次谐波必须从RF输出路径中排除，尤其是当它们可能影响到GPS接收器（L2 频率为1222.7 MHz）或蜂窝式无线电装置等co-sited功能的效能时。
图6显示一个不含次谐波，但却产生高达9 GHz谐波的设计中的信号。这项测量可利用标准的频谱分析仪来执行。对研究工作来说，可以使用较快的扫描时间，但仍然需要好几秒钟。如果选择较长的扫描时间，则拥有深度数据捕获缓冲区的较新型频谱分析仪，可以让您在扫描过后放大特定的取样点。
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图6. 宽频旁生
如图7所示，有些设计会在发射与接收路径中使用IQ混频，优点是可以提高电路整合的层次，并将信号处理工作交由模拟电路以外的数字信号处理。这个图描述的是一种混合的方法。有一些设计会在前端加入影像斥拒混频。较高层次的硅整合，使得它的价格更为便宜。
所有这些IQ阶段的校验都必须仔细地说明。雷达与蜂窝式应用所发表的技术，描述了可使用的序列和信号。直接将IQ调制应用到RF输出，可能会对信号产生令人意想不到的影响。不过，调制器的调校错误并不会对频率错误造成任何影响，因为频率只是相位的改变率而已。然而要辨认频谱中的错误可能不太容易。
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图7. IQ调制器、数字解调器
IQ调制中的错误，代表有振幅调制。这可以利用功率相对时间显示图来侦测，或使用向量分析仪来执行更详细的研究。
IQ调制器也可以用来形成功率上下变换的情形，并指出闸控测量可能产生的值。在接收链中，误码测量必须先经过数字处理才能进行。在接收器的混频器输出和ADC输入间找出一个DC区块，以便确认零IF系统。像LO-RF回馈等瑕疵所产生的DC成份，会随着输入频率而改变，必须妥善加以处理才行。通常会在RF信道频宽的一半位置设定IF的Near-Zero IF，比较可能在初期被侦测出来。因此，旁带抑制会是个问题。旁带的快速计算法：0.1 dB的增益错误，或1度的相位错误，会使旁带下降约40 dB。
分析 IQ波形 – 向量分析仪原本就可以解调相当大范围的信号。虽然只包含直接应用的FSK的情况，可能无法保证额外的精密度，但在进行IQ设计的过程中，或考虑到Bluetooth 2、蜂窝式或WLAN等其它格式时，这个自变量将会改变。
为了了解组件的行为特性，从多个方向来分析组件是很重要的。图8显示以4种方式来检视相同数据的范例。偏差检视以快速的视觉方式，提供正确调制模式的确认结果。眼图和FSK错误可以显示出调制的品质。解调数据检视则可让使用者检查前文、起始码、同步文字与负载数据。
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图8. FSK的多种检视
设计仿真 – 较高层次的整合，着重在仿真工具。它们除了可以迅速评估不同的电路拓朴之外，还有一些较先进的工具能为接收器提供更多有效及有瑕疵的信号。
对Bluetooth技术来说，这里蕴藏了一些最大的RF挑战。因为电池会消耗，所以可测试限定位准的压缩效能之效应，以及相位噪声、差动路径损耗、信号瑕疵与干扰 – 包括邻近发射器的效应，这些会在Bluetooth单元耦合到行动手机时发生。
最近的产品开发，有两个部份具备了很大的优点。第一是数字信号生成与向量信号分析区块的整合，可让您交替进行仿真与实际的测试。软件产品与实体仪器间的连结，能够让您迅速比较原型的结果。
第二个特色是设计指南，可以让工具的设定自动化。它让使用者纷纷改用可进行真实电路评估的设计软件，来代替以特定无线电技术的相关基本配置信息来编程。
接收器测试 – 图2显示的鉴频器，是属于混频器/调谐电路的鉴频器。它看起来很简单，但需要执行一些校验。在分析设计特性的过程中，务必注意有些结果并不会呈现正常（高斯）分布。
原因出在使用的电路技术，而且基于调谐电路/混频器组合的相位/频率特性的关系，会有一个限制值。延迟线路鉴频器是另一种选择，但需要进行校验。
前端放大器的设计与测试必须专注于干扰而非最可能出现的噪声指数，或1 dB的压缩特性。有各种不同的技术可用来动态改变接收器链的增益，进而优化多余信号的斥拒。在信号产生器中使用同步的脉冲振幅调制，可能是对AGC系统的丛发至丛发响应的一项值得进行的测试，尤其是在软件控制的情况下。图9显示测试隔离接收器的测量路径。
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图9. 测试隔离接收器的测量路径
测试接收器跳频 - 前面曾经提过，所有的Bluetooth设计中都会使用一个本地振荡器。这么做的副作用是在小于300 s的完整调谐范围内，可能会造成它回转。当装置以Bluetooth测试模式操作时，也可能发生这种情形。m
在发射周期，可能会选择接收测试频率对面的ISM频带端，或其它任意一个点的频率。VCO每一次都必须转换回接收器频率。请参阅图10。
每个丛发都可以用于数据传输，因此可以使用连续序列。这样就不必执行信号源必须跳动的跳频BER测试了。虽然如此，在链路信令出现前，使用者仍必须安排信号产生器与待测组件的同步控制。
当位转换成数字格式后，就可执行BER测试了。执行的方法有好几种，表1列出了各种BER测试技术的摘要。
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图10. VCO交换/固定的RX信道
| 数据复原点 | 批注 |
| 中频 | 使用眼图。 |
| 解调器输出 | 限定一个原始PN序列输出，并送出BER测量。 |
| 基频输出 | 恢复时脉与译码的负载数据。执行BER测量。 |
| 回反 | 完整的装置需要使用Bluetooth测试模式；基频和链路处理都必须包含在内。有些设计可让您以自订的设定值来执行这些测试。 |
表1. 接收器误码测量的方法
结语
Bluetooth技术使用快速跳频（高达1600 hops/sec）的方法，并在2.4 GHz的频率下操作。GFSK调制的运用，以及宽松的接收器灵敏度需求，考虑到了简单的无线电设计。这些特性导致一些模块的出现，它们使用先前设计的系统所采用的技术，例如欧洲的DECT标准。
不过，Bluetooth装置较低的目标价，迫使其它设计采行整合度更高的不同方法。系统整合单芯片、最低的功率消耗量、增强的干扰抑制、以及优于规格的灵敏度等目标，使得它的设计与较高效能的无线电设计一样充满了挑战性。本文回顾了直接调频的VCO设计与数字IQ技术的差异，以及它们对测量所造成的影响。文中说明了Bluetooth调制特性测量如何验证Direct FM设计所产生的信号之品质，以及载波频率漂移（Carrier Frequency Drift）和ICFT如何让IQ调制瑕疵消失无踪。
此外，本文还说明执行？w定时间？市DBluetooth规格测量的优点。显然无线电设计师必须取得完整的仿真与测量工具，才有可能完成一个可靠的Bluetooth设计。
作者简介
Peter Cain以优异的成绩从英国南安普敦大学取得电子工程学位，并在电子测量产业服务长达20年，其中16年都奉献给安捷伦科技 [HP]。Peter先后担任过工程、项目与计画管理、以及近期的技术解决方案规划等工作。过去喜欢潜水的Peter，依然热爱设计种东西，他的幼子给了他做这件事最好的理由。