对蓝牙产品开发成败有重要影响的关键测试技术规范

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随着蓝牙技术从设想到实用，开发过程中发生了很多的变化，测试工作成为蓝牙产品开发过程不可分割的一部分，实际上，恰当的测试技术可能是决定蓝牙方案成败的关键，本文介绍了载波频率、漂移、频率偏差等关键指标的测量。
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对蓝牙产品开发成败有重要影响的关键测试技术规范
上网时间 : 2001年07月29日
随着蓝牙技术从设想到实用，开发过程中发生了很多的变化，测试工作成为蓝牙产品开发过程不可分割的一部分，实际上，恰当的测试技术可能是决定蓝牙方案成败的关键，本文介绍了载波频率、漂移、频率偏差等关键指标的测量。
Peter Cain
市场规划
peter_cain@agilent.com
Alistair Mill
高级工程师
alistair_mill@agilent.com
Agilent Technologies公司
随着蓝牙技术由实验室走向实用，测试问题将是工程师们在建立短距离无线通信方案时考虑的一个重要问题。在蓝牙规范的发展过程中，蓝牙特别兴趣小组(SIG)提出了一套测试标准，设计工程师可利用它来测试蓝牙产品的性能。掌握这些测试技术，是开发蓝牙产品的关键。



蓝牙原理
在深入讨论具体的测试技术之前，首先要了解蓝牙产品的一些关键技术规范。蓝牙设备工作在ISM频段(工业、科技、医疗用频段)上，从2.402到2.48GHz，共79个信道。设备之间通过一种数字调频方法通信，该方法称为0.5高斯频移键控(GFSK)。载波向上频移157kHz表示“1”，向下频移表示“0”，速率是1Msymbols/s。此处“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。
两个蓝牙设备间的通信采用时分复用(TDD)技术，即接收器和发送器在不同的时隙交替传送。并且，采用了一种非常快的跳频模式(高达每秒1600跳)，这样即使在很拥挤的频段也能可靠地连接。

图1
图1展示了一个蓝牙方案的架构。由于蓝牙采用TDD技术，大多数系统方案采用了单个本地振荡器(LO)，将其倍频，并在接收器和发送器之间切换。FSK调制方式支持压控振荡器(VCO)进行简单的直接调制。基带数据通过高斯滤波器处理，该滤波器具有恒定的时延而且不存在过冲。脉冲整形只在发送器上实现。
在该方案中，采样保持(S/H)电路或相位调制器可以在控制带宽内克服锁相环(PLL)对相位调制(PM)的影响。当电平很高以至会造成接收器输入过载时，可以采用天线切换。
图1的接收器采用一次下变频。通常为了减小滤波器的物理尺寸，中频(IF)的频率相当高，并且与LO之间保持合适距离以便于抑制镜频。
对蓝牙射频设计进行测量
蓝牙特别兴趣小组建立了多种评价蓝牙产品性能的测量技术。在开始测量之前，首先要找到关键测量点。
对蓝牙信号进行频率测量时，要确定脉冲串中数据包的启始位置，也就是确定起始码(preamble)的位置。所谓起始码就是在数据包的开头由1和0组成的固定序列，它是对数据包其它部分(绝大多数载荷)进行定位的参考点。通过对数据包的起始码和载荷部分的信号进行测量可以计算出调制度。
通常在信号传输过程中会对信号进行随机化处理，这样会减小离散频谱分量。这个过程将对载荷进行置乱，而接入码(access code)和数据包头部分保持不变。为了测量调制特性参数和载频漂移，载荷必须包含固定模式的数据，因此随机化功能必须具备可关闭的特性。
具有随机跳频特性的蓝牙系统增加了信号分析的复杂性。尽管对设备的跳频功能进行测试比较重要，但是没有必要在跳频模式下测量信号的所有特性，所以要分别测试各因素对信号的作用。
例如，测试调制参数的目的是用来验证调制器性能和预调制滤波的性能，该参数可能受信道编号的影响，但是可能与跳频无关，因此，在进行其他项目测试时，蓝牙设备必须具有关闭跳频功能的测试模式。
载波频率
在对蓝牙测试过程有了概要的了解后，下面将深入探讨几个蓝牙测试特例。首先从初始载频容错测试(ICFT)开始。
ICFT是SIG定义的比较重要的测试技术之一。ICFT是检验VCO中的频率偏差的方法。
ICFT只关心组帧数据包开始时刻的频率，而不关心在RF脉冲串的上升沿刚好结束时刻的频率。图2a所示的起始码型是1010，竖线表示p0位的中心。p0位的起始位是过零位(zero crossing)，它定义为过零位即将跨越接入码尾部之前第68个位周期(bit period)的那个时刻。ICFT方法要用频偏值对数据包的四位起始码进行积分，其计算结果作为载波频率f0，而f0的偏差是载波频率f0和标称载波频率的差值。
蓝牙ICFT规范没有定义对四位起始码积分的开始和终止位置，但这对于测量1010和0101起始码型很重要(图2b)。如果工程师先用4μs时间进行积分，必须保证积分区间的正、负面积相等，才能得到标称零积分值。
如果要把0101四位起始码积分4μs，由于设计工程师在起始码开始之前瞬间并不知道载波的确切状态，因此，计算结果的误差将达到75kHz偏差极限的8%左右。
解决起始码的4μs积分问题的一个办法是采用3μs积分时长，相对原始的p0中心位置有半位的偏移。这种方法可以保证积分的正负区域相等，而与起始码的类型无关，因此可以避免结果的偏差。值得注意的是，由于采用3μs的积分时长，采样时间减少了，噪声增加了。
对漂移的测量
蓝牙设计与时分多址(TDMA)系统等其它的射频设计一样，对于使用直接调制VCO架构的蓝牙开发者来说，频率漂移是很头痛的问题。因此，在蓝牙产品开发过程中漂移测量至关重要。
漂移测量要获得长期(10位，相邻数据组)漂移和长期(脉冲串间漂移)漂移的综合结果。蓝牙架构利用采样保持PLL进行设计，频率漂移可能相当明显。对于其它的设计方案，4Hz到100kHz无用调制分量和噪声可视为叠加在漂移曲线上的纹波。
蓝牙SIG规定在频率漂移测量时，要求载荷数据是由重复的1010序列组成。对起始码而言，ICFT可用上述方法计算，并作为参考频率存储。然后采用与起始码相同的积分方法来分析后继载荷的所有10位段，经过分析的结果与参考频率进行比较。
最大输出
参考频率的最大差值与任意相邻10位段的最大差值要记录下来。前者(频率漂移)表示在整个数据包期间VCO的稳定性，而后者(最大漂移率)可以看到所有低频纹波。
如果脉冲串间的频率呈线性变化，那么有两个原因可以解释为什么期望结果和实测结果不一致：1. 载荷数据的长度不是10的倍数，因此，不可能正好测量到脉冲串的尾部；2. 对10位积分得到的频率是10位时隙中间的频率。
因此，即使载荷长度可以被10整除，由于同样原因载荷末尾的5位和起始码开始的2位会被丢失而无法测量。所以，对于长度为366μs的DH1数据包来说，将有7μs不能测量。因此最佳情况下，从测量结果能看到：大约98%的信号受损伤。
评测偏差
在上述蓝牙设计中，VCO在传输通道上直接进行调制。为了避免PLL在其带宽内去除调制分量，可在传输过程中让PLL开路，或者进行相位差校正(两点调制)。第一种方法利用采样保持技术比较行之有效，但是要避免频率漂移；第二种方法采用相位纠正，它要求先进行校准以防止在不同数据类型下出现不平坦的调制响应特性；要想不进行校准，除非采用能够调整频率合成器分频比的数字技术。
蓝牙规范对两种不同的码型检测其峰值频率的偏差，这两个码型是：11110000和10101010。使用11110000码型进行检测，GFSK调制滤波器的输出大概在2.5位后达到最大。使用10101010码型可以检测GFSK滤波器的截止点和滤波器的形状。理想情况下，10101010码型的峰值偏差是11110000的88%。调制的最高基频是500kHz，即使比特率为1Msymbols/s也是这样。

图3中的浅灰色线表示：调制器存在I&Q增益不平衡情况下11110000的波形。此外，调制器设定具有2dB I&Q增益的校准损耗。通过观察I&Q平面的向量和线可以看到增益不平衡的影响，它呈椭圆形不是通常的圆形。随着I&Q分量的正弦和余弦值在对应坐标的上下移动，向量和的夹角不再与I&Q值匹配。因而，角速度发生变化进而产生FM变化。
频率偏差线的形状决定于I&Q损耗的类型。对于11110000码型，峰值偏差增加大约25%，而10101010码型的峰值偏差减小大约12%，这会造成两个偏差的比值增大到超出蓝牙规范的临界值。如果采用频率漂移或者ICFT对相同的信号进行测量，由于受损波形的对称特性和所用的平均方法等原因，受损信号就难以检测。
蓝牙规范通常采用上述的频率偏差测量方法。当前一些设计工程师正在寻求替代的测试方法，这种方法不需要在测量过程中改变信号。
蓝牙集成设计
一些蓝牙设计的发送和接收路径已经由直接调制VCO架构转向I&Q混合方式。这种混合方式提高了电路集成度，而且信号由模拟电路处理转向数字信号处理。
在这种混合设计中，镜频抑制混频位于前端。设计工程师要认真考虑到所有的I&Q级的校准。
在RF输出上直接使用I&Q调制会对信号产生很大的影响。在频谱中辨别错误可能比较困难。I&Q调制的错误可能产生幅度调制(AM)。这种现象可以使用功率-时间显示设备观察到，或者使用向量分析仪进行更详细的观测。I&Q调制器也可以用来形成功率斜波(power ramp)，该斜波用于门控测量。
再看一看用向量分析仪进行的测量。向量分析仪可以解调的信号范围很广。尽管在只有(直接应用的)FSK的情况下，可能无法保证高度精密的测量，但是在I&Q的设计过程中或者考虑象蜂窝通信或无线LAN(WLAN)这类系统时，情况将有所不同。为了分析设备的性能，从多个方向进行测量就很重要。

如图4所示，从4个不同方面对同一组数据进行了分析，其中的偏差视图是对正确的调制模式的快速视觉判断。眼图和FSK误差图显示了调制质量，解调数据视图使用户可以检查起始码、报头、同步字和载荷数据。
使用非跳频测试信号进行测试
在FM蓝牙设计方案中，VCO用作唯一的本地振荡器。这样就要求设计方案必须能在宽的调谐范围内每625μs将VCO在接收和发送之间切换。
在发送周期内，VCO在ISM频带上相对于接收测试频率的另一端选择一个频率或者其它的任意频点。在VCO完成每次发射任务后都必须切换到接收器频率上。
每个脉冲串都可以用作数据发送，因此可以使用连续的序列。这样的好处是，当信源需要跳频时，一般不需要测试跳频误码率(BER)。使用上述测试方法时，设计工程师需要对信号发生器和DUT同时进行控制直到链路信令有效。
当数据信号转换成某种数字格式后，就可进行BER测试。BER测试方法有多种。
随着技术的发展，蓝牙产品一定会要迅猛地占领通信和消费市场。但是要使这类产品真正进入实用，设计工程师开发的产品必须满足用户要求的性能、低功耗和价格。通过适当的测试，蓝牙系统的开发者可以在设计初期发现问题并使产品在通信市场上获得成功。

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