藍牙射頻技術(shù)及其測試項目

藍牙設備工作于ISM頻段，通過(guò)高斯頻移鍵控(GFSK)數字頻率調制技術(shù)實(shí)現彼此間的通信，設備間采用時(shí)分復用(TDD)方式，并使用一種極快的跳頻方案以便在擁擠波段中提高鏈路可靠性。對藍牙設備來(lái)說(shuō)，RF部分是主要測試內容之一。

藍牙射頻設計采用了多種系統體系結構，既有傳統模擬調制基于中頻的系統，也有基于數字IQ調制器/解調器配置的系統，但無(wú)論采用哪種設計配置，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中都必須解決下面的問(wèn)題：

·全球各地法規要求

·藍牙認證

·簡(jiǎn)單高效制造測試

·與其它廠(chǎng)商產(chǎn)品的良好兼容性

藍牙射頻技術(shù)

藍牙設備工作于ISM頻段，通常是在2.402GHz至2.48GHz之間的79個(gè)信道上運行。它使用稱(chēng)為0.5BT高斯頻移鍵控(GFSK)的數字頻率調制技術(shù)實(shí)現彼此間的通信。也就是說(shuō)把載波上移157kHz代表“1”，下移157kHz代表“0”，速率為100萬(wàn)符號(或比特)/秒，然后用“0.5”將數據濾波器的-3dB帶寬設定在500kHz，這樣可以限制射頻占用的頻譜。

兩個(gè)設備間通過(guò)時(shí)分復用(TDD)方式通信，發(fā)送器和接收器在相隔時(shí)段中交替傳送，即一個(gè)挨著(zhù)另一個(gè)傳送，此外還采用了一種極快的跳頻方案(1,600跳/秒)，以便在擁擠波段中提高鏈路可靠性。美國聯(lián)邦通信委員會(huì )預計波段利用率將不斷增加，因此可靠性是最基本的要求。

在圖1所示的藍牙結構中，接收器僅采用一次下轉換，這類(lèi)設計使用一個(gè)簡(jiǎn)單的本地振蕩器，輸出經(jīng)過(guò)倍頻，并在接收器和發(fā)送器間切換。FSK允許直接VCO調制，基帶數據通過(guò)一個(gè)固定時(shí)間延遲且無(wú)過(guò)沖高斯濾波器，而脈沖整形僅用于發(fā)送器中，鎖相環(huán)(PLL)可用采樣-保持電路或相位調制器解除基帶內的相位調制。通常中頻相當高，以限制濾波器元件的物理尺寸，使中頻遠離LO頻率，確保足夠的鏡像抑制。如果電平過(guò)高造成接收器輸入過(guò)載，則應使用天線(xiàn)開(kāi)關(guān)。

測試項目

下面介紹一些適用于藍牙設備RF部分的測試。

功率──輸出放大器是一個(gè)選件，有這種選件無(wú)疑可提升I類(lèi)(+20dBm)輸出放大器的輸出功率。雖然對電平精度指標不作要求，但應避免過(guò)大的功率輸出，以免造成不必要的電池耗電。

無(wú)論設計提供的功率是+20dBm還是更低，接收器都需要有接收信號強度指示，RSSI信息允許不同功率設備間互相聯(lián)系，這類(lèi)設計中的功率斜率可由控制放大器的偏置電流實(shí)現。

與其它TDMA系統如DECT或GSM不同，藍牙頻譜測試并不限于單獨的功率控制和調制誤差測試，它的測量間隔時(shí)間必須足夠長(cháng)，以采集到斜率和調制造成的影響。在實(shí)際中這不會(huì )影響認證，時(shí)間選通測量由于能迅速確定缺陷，具有很高的價(jià)值。有些設計在調制開(kāi)始前使用未經(jīng)指定的周期，這通常用于接收器的準備。

頻率誤差──藍牙規范中所有頻率測量選取較短的4微秒或10微秒選通周期，這樣會(huì )造成測量結果的不定性，可從不同的角度進(jìn)行理解。首先，窄的時(shí)間開(kāi)口意味著(zhù)測量帶寬截止頻率較高，會(huì )把各類(lèi)噪聲引入測量；其次應考慮誤差機制，如在短間隔測量中，來(lái)自測量設備的量化噪聲或振蕩器邊帶噪聲將占較大百分比，而較長(cháng)測量間隔中這些噪聲影響會(huì )被平均掉。因此設計范圍要考慮這一因素，它應超過(guò)參考晶振產(chǎn)生的靜態(tài)誤差。

頻率漂移──漂移測量將短的10位相鄰數據組和跨越脈沖的較長(cháng)漂移結果結合在一起。如果在發(fā)送器設計中用了采樣-保持設計，就可能出現這一誤差。對其它類(lèi)型設計，在波形圖上可觀(guān)察到像紋波一樣的有害4kHz至100kHz調制成分或噪聲，表明了它可作為另一個(gè)方法確保很好地將電源去耦合。

調制──在發(fā)送路徑中，圖1中的VCO被直接調制，為避免PLL剝離帶寬內調制成分，可讓傳輸器件開(kāi)路或使用相位誤差校正(兩點(diǎn)調制)。采樣-保持技術(shù)應該是有效的，但需注意避免頻率漂移。除非使用數字技術(shù)調整合成器的分頻比，否則應校準相位調制器，以免出現不同數據碼型調制的響應平坦度低的問(wèn)題。

藍牙RF規范要檢查11110000和10101010兩種不同碼型的峰值頻率偏移，]GMSK調制濾波器的輸出在2.5bit后達到最大值，第一個(gè)碼可檢查這一點(diǎn)，GMSK濾波器的截止點(diǎn)和形狀則由第二個(gè)碼檢查。在理想情況下，1010碼峰值偏移為11110000的88%，某些設計的發(fā)送未施加0.5BT高斯濾波而會(huì )顯示更高比值。最高基本調制頻率為500kHz，此時(shí)的比特率為100萬(wàn)符號/秒。

帶內頻譜──-20dB測試可確認調制和脈沖信號的確在1MHz寬的波段中，圖2的方框可以看作是極限范圍，通過(guò)設置10kHz分辨率帶寬可實(shí)現這一要求，因幅值具有脈沖特性而使用峰值保持法進(jìn)行測量。通過(guò)頻率寬度測試而不僅只是固定模板測試，該方法能使波形偏離精確的中心頻率，效果與信號模板內對中非常類(lèi)似，圖中隆起部分由數據包報頭的非數據白化零造成。

鄰近信道測量作為系列點(diǎn)頻測量中的一項是規定要做的，非選通掃描是快速容易的檢查方法。選通有時(shí)仍被使用，盡管它是一種組合測量，這與GSM、DECT和PDC之類(lèi)其它TDMA系統測量有所不同。

帶外頻譜──倍頻是通常用來(lái)防止RF通過(guò)耦合返回VCO從而拉動(dòng)中心頻率的一項技術(shù)，需要在RF輸出路徑中消除次級諧波，特別當它們可能危及相關(guān)站點(diǎn)時(shí)，如L2頻率為1,222.7MHz的GPS接收器或蜂窩無(wú)線(xiàn)設備功能。

圖3顯示了設備的一個(gè)信號，它不存在次級諧波，但會(huì )產(chǎn)生超過(guò)9GHz的諧波，這正是標準頻譜分析儀能進(jìn)行的測量。對于研究工作來(lái)說(shuō)，雖然可使用更快的掃描時(shí)間，但仍要好幾秒。如果選擇長(cháng)掃描時(shí)間，則需要用具有深數據捕獲緩沖器的新型頻譜分析儀，這類(lèi)儀器能對特定感興趣的點(diǎn)作掃描后的放大。

有些設計轉而在發(fā)送和接收路徑都有IQ混頻，這種方法可提高電路集成度，將信號處理轉成數字信號處理，而去除模擬電路。圖4顯示了一些混合電路方法，某些設計可在前端增添鏡像抑制混合，目前硅片技術(shù)更高的集成度也使這種做法更為經(jīng)濟。

所有這些的IQ級校準都需要仔細考慮，已發(fā)表很多關(guān)于雷達和蜂窩應用的技術(shù)文章介紹了所使用的序列和信號。RF輸出直接應用IQ調制可能會(huì )對信號造成重大影響，但調制器未對準頻率誤差則不會(huì )造成影響，因為頻率僅僅是相位改變率，不過(guò)也許難以在頻譜上鑒別出誤差。

IQ調制誤差意味著(zhù)存在幅度調制，可用功率-時(shí)間顯示進(jìn)行檢測，或用矢量分析儀做詳細調查。 IQ調制器也可用來(lái)整形功率斜坡，這再次說(shuō)明了選通測量的價(jià)值。在接收鏈所有測量進(jìn)行之前，還有些數字處理需要測量誤碼。另外可能出現零中頻系統，可由查找接收器混頻器輸出和ADC輸入之間的DC塊識別。像LO-RF反饋這類(lèi)非理想情況會(huì )產(chǎn)生隨輸入頻率改變的直流成分，需要認真予以處理。另外邊帶抑制也是一個(gè)問(wèn)題，這里有個(gè)速算公式，即0.1dB增益誤差或1度相位誤差將使邊帶降低約40dB。

分析IQ波形──矢量分析儀本身就能解調各種各樣信號，盡管直接應用FSK也許不能涵蓋更復雜的情況，但在IQ設計過(guò)程中可能要考慮其它制式，如藍牙2、蜂窩技術(shù)或LAN。

為了解設備的性能，具備多角度分析能力十分重要，圖5顯示了以四種方法觀(guān)察相同數據的結果。偏差觀(guān)察為正確碼型調制提供快速直觀(guān)確認，眼圖和FSK誤差可顯示調制質(zhì)量，而解調數據觀(guān)察則使用戶(hù)能檢查前同步碼、報頭、同步字和有效載荷數據的存在。

設計模擬──更高級的集成關(guān)注于模擬工具，這些工具不僅能迅速評估不同電路的拓撲結構，更有先進(jìn)的工具把各種有效和受損信號注入接收器。

最近有兩種非常有利于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的進(jìn)展，第一是數字信號發(fā)生器和矢量信號分析塊的集成，它提供了模擬和實(shí)際測試間的相互交換，軟件產(chǎn)品與物理儀器鏈接能在原型交付時(shí)立即比較結果。第二是可以使工具設置自動(dòng)化的設計指南，讓用戶(hù)能更好地用設計軟件評估實(shí)際電路，而不必在基本配置信息中根據特定無(wú)線(xiàn)技術(shù)編寫(xiě)程序。

接收器測試──圖1中的鑒別器是一個(gè)混頻器/調諧電路，它是一個(gè)直通器件，但也需要進(jìn)行校準。在設計特性描述過(guò)程中，一定要注意某些結果的非正態(tài)(高斯)分布。

由于調諧電路/混頻器的相位/頻率特性，這種電路的價(jià)值是很有限的。延遲線(xiàn)鑒別器是另一種可能的選擇，但也需要經(jīng)過(guò)校準。

前端放大器設計和測試關(guān)注的是干擾，而不是最好的噪聲系數，或1dB壓縮特性。已公開(kāi)的很多技術(shù)能通過(guò)接收器鏈動(dòng)態(tài)改變增益，優(yōu)化對有害信號的抑制。也可對信號發(fā)生器使用同步脈沖幅度調制，這種測試對AGC系統特別是當系統由軟件控制時(shí)的脈沖間響應很有用。

測試接收器跳頻──如前所述，所有藍牙設計中都會(huì )采用的元件是簡(jiǎn)單的本地振蕩器，其邊帶效應會(huì )在全部調諧范圍造成小于300微秒的時(shí)滯，當設備工作于藍牙測試模式時(shí)也必然產(chǎn)生這一效應。

在發(fā)送期間，必須在ISM頻段的接收測試頻率或以其它任意點(diǎn)為中心的另一端選擇一個(gè)頻率，VCO每次都使轉換跳回到接收器頻率。每一脈沖都可用于數據傳輸，因此可使用連續序列，從而在使用跳頻源時(shí)無(wú)需進(jìn)行跳頻BER測試。雖然可以這樣做，但在使用鏈路信號之前用戶(hù)必須安排好對信號發(fā)生器和被測設備的同時(shí)控制。一旦比特轉換成數字格式就可進(jìn)行BER測試，表1列出了幾種可行的測試方法。