藍牙測試模式實(shí)現及其物理層觀(guān)測(圖)

測試模式簡(jiǎn)介
---藍牙(bluetooth)的測試模式支持藍牙的收發(fā)測試，主要用于驗證與配合射頻和基帶層的測試，也可用于常規性認證和生產(chǎn)售后的測試。在測試模式下的器件不一定支持普通的操作。出于安全考慮，測試模式設計成不會(huì )對用戶(hù)提供任何服務(wù)。因此，不允許在軟硬件接口上有任何數據的輸入和輸出。
---測試模式的目的在于通過(guò)檢測其空中接口的參數，如頻率精確性、時(shí)間精確性、調制參數和傳輸頻段的帶寬等來(lái)證明射頻和鏈路控制層(lc)是否處于正常工作狀態(tài)，任何藍牙器件都可以工作在測試模式。在測試模式下，待測模塊sut(suit under test)處于非常規運行狀態(tài)，最明顯的區別就是不同于普通的79跳頻通信，器件用固定的頻段傳輸數據。由于跟蹤分析儀器不需要跳頻跟蹤信號，這就使得測量更為便捷。

建立測試模式所需硬件
 ---(1)采用rohde&schwarz公司生產(chǎn)的r&sptw60型藍牙協(xié)議測試儀，在測試模式中為主模塊(master)。該儀器具有專(zhuān)業(yè)和綜合的藍牙測試功能，是用于開(kāi)發(fā)和鑒定測試的理想儀器。由于配備有編程界面，它同樣適合開(kāi)發(fā)全新的協(xié)議。
---(2)alps藍牙模塊做為待測模塊，在測試模式中為從屬模塊(slave)，由hamgeg三相電壓源供電。
---(3)lecroy數字四通道示波器，用于顯示跟蹤信號。
---(4)頻譜分析儀rohde&schwarz fsh3，用于顯示信號的功率分布。
---(5)裝有ftp-client、totalcommander和c++編輯器jcreator等軟件的pc，用于瀏覽、修改、下載以及上傳測試模式各種方案所需要的程序。
---圖1是測試模式中各模塊連接框圖。

測試模式的建立
---使藍牙器件工作于測試模式通常有以下幾步：
---(1)通過(guò)呼叫建立測試儀器(協(xié)議分析儀)的鏈路控制層(lc)和待測模塊的鏈路控制層(lc)的連接。
---(2)測試儀器(協(xié)議分析儀)的鏈路管理層(lm)和待測模塊的鏈路管理層(lm)建立連接。
---(3)待測模塊自身進(jìn)入測試模式。
---(4)激活測試模式。這意味著(zhù)測試和待測雙方的鏈路控制(lc)已經(jīng)準備好接收測試控制信息。激活待測模式是通過(guò)主模塊送出一個(gè)鏈路管理(lm)的協(xié)議數據單元pdu(protocol data unite)enable_test_activate給待測模塊。當待測模塊接收到此數據包即把自身的鏈路控制層設置為測試模式。另一方面，當測試儀器的測試程序送出此協(xié)議數據單元后，它將測試儀器的鏈路控制層(lc)也設置為測試模式。
---(5)切換到需要的測試方案。在激活測試模式后，測試和待測雙方都準備好接收使得它們工作于非正常狀態(tài)的命令，例如，改變雙方的通信模式，使得發(fā)送接收都工作于同一個(gè)固定頻率而非跳頻。為此，程序將向待測模塊的鏈路管理層(lm)送出鏈路管理(lm)協(xié)議數據單元(pdu)lmp_test_control，這將迫使待測模塊的鏈路控制層(lc)工作于被查詢(xún)模式。在送出此信息后，程序同樣改變測試儀器的鏈路控制層，使其工作于測試模式。
---以上建立步驟和命令都可以通過(guò)測試儀r&sptw60的人機界面讀取，并且可以單步執行程序，觀(guān)察各層的執行結果。其中，步驟4和5均由測試儀器通過(guò)空中接口遠程控制，為了避免附近其他藍牙設備也被設定為測試模式，待測模塊會(huì )收到來(lái)自hic(host controller interface，主控制器接口)的指令enable_device_under_test_model，沒(méi)有這一指令，藍牙模塊拒絕任何測試指令。

發(fā)送測試
 ---此測試模式較為簡(jiǎn)單直觀(guān)。在此模式下藍牙模塊傳送帶有固定的比特凈荷，同時(shí)還周期性的傳送用于微微網(wǎng)(piconet)從模塊tx定時(shí)校正的數據包，這里的微微網(wǎng)由測試儀和待測模塊組成，每次傳送的測試包是相同的。
---當主模塊送出第一個(gè)檢測包(poll)，發(fā)送測試就開(kāi)始了，此檢測包使用的是非跳頻模式下被允許的頻率段。測試儀在tx時(shí)隙傳送控制命令或檢測包，待測模塊在此后的從時(shí)隙開(kāi)始幀傳送。主器件的呼叫時(shí)間間隔是在之前定義并且是固定的。即使待測模塊沒(méi)有收到來(lái)自測試儀的數據包，它還是會(huì )根據正常定時(shí)來(lái)發(fā)送其數據幀。圖2顯示了發(fā)送測試主從模塊時(shí)間配合情況，圖中顯示，幀長(cháng)度可能會(huì )超過(guò)一個(gè)時(shí)隙數據包的長(cháng)度。在這個(gè)情況下，測試儀就把下一個(gè)空閑的主tx時(shí)隙用于呼叫。

---發(fā)送測試建立后就可以測試需要的相關(guān)參數了，比如輸出功率、功率密度、多時(shí)隙靈敏度等等，這里只討論波形圖和功率分布。
---數據包理論結構和試驗結果分析
---測試模式下的數據包即標準的藍牙數據包。在配置時(shí)，測試儀(master)定義兩項參數：要用的數據包種類(lèi)和載荷的長(cháng)度。載荷長(cháng)度需要符合并受限于基帶規范，在基帶規范中所定義的acl數據包載荷的結構也是保留的。
---在發(fā)送測試模式中，只能使用不帶fec糾錯的數據包格式，如hv3、dh1、dh3、dh5以及aux1等包格式，用這些格式可以支持到最長(cháng)的數據包。在此模式中，在測試儀和待測模塊之間交換的數據包沒(méi)有加入白噪序列。在待測模塊進(jìn)入測試模式時(shí)，此功能即被禁止，在退出測試模式時(shí)又啟用。
---● 藍牙規范中物理層(基帶)數據包格式
---這里給出協(xié)議規范格式，以便和之后的試驗結果做一下比較。[]中是bit長(cháng)度。
---標準藍牙數據包格式由72bit的驗證碼、54bit的信息頭和0～2745bit的載荷組成。
---驗證碼(assess code)，用于同步，dc補償和驗證，其格式如下。其中，報頭(preamble)由固定4bit組成，便于dc補償；同步碼(sync word)由64bit組成，用于定時(shí)同步；尾碼(trailer)由固定的4bit組成，同樣用于dc補償。

preamble/ sync word/ trailer

[4]          /[64]           /[4]
---信息頭格式(header)包含鏈路控制信號，格式如下。其中，am_addr是3bit長(cháng)的活動(dòng)成員地址，0信息都用于廣播消息，最多7個(gè)；type是數據包種類(lèi)代碼，共有16種；flow是1bit的流量控制；arqn是1bit的確認碼，表示數據包的成功傳送；seqn是1bit的序列碼，確保數據包的前后次序；hec是8bit的前向糾錯碼，確保信息頭的正確性。

am-addr/ type/ flow/ arqn/ seqn/ hec

[3]               /[4]     /[1]        /[1]        /[1]       /[8]
載荷(payload)用于攜帶語(yǔ)音信息或上層數據信息。
--- 還需要說(shuō)明的一點(diǎn)，本試驗選擇了兩種不同的bit樣本作為載荷，分別是交替的01(0101010...)和4位交替的10(111100001111...)。選這兩種載荷樣本的原因是，由于藍牙的基帶和射頻層選用了高斯最小頻移鍵控(gmsk)，最大幅度節省了帶寬，但同時(shí)引入了碼間干擾(isi)。也就是說(shuō)，在解調出的碼序列波形中，連續出現0或者1，會(huì )使得其頻率偏移不斷累積增大。在接收時(shí)如果增益超出接收機范圍即會(huì )引起誤碼，這一現象可以在試驗中直觀(guān)地觀(guān)察到。
---● 試驗所得波形分析
---以下的3幅圖是在測試模式下用lecroy數字四通道示波器記錄下來(lái)的，在此將它們與理論數據包格式做簡(jiǎn)單比較。
---在載荷為1111和0000交替出現的數據包時(shí)，信號占用帶寬和時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。比較標準包格式可以找出驗證碼，信息頭以及載荷。由于信息頭包含有重要信息，所以使用了1/3frc，即每一個(gè)信息位連續重復發(fā)送3遍，這樣由每一bit占約1μs(有效數據速率為721kb/s)，可推得信息頭中每信息位占用3μs。由這個(gè)特點(diǎn)，可以讀出此例中信息頭中的前三位am_addr為111，即7號從模塊。之后的4位type碼也可讀出為0010，之后的三位依次為flow、arqn和seqn，其中正常情況下seqn是不斷跳變的。占用的帶寬也可讀出，約為-150khz～+150khz。
---在載荷為01交替出現的數據包時(shí)，信號占用帶寬和時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。其結構大體和圖3類(lèi)似，圖中標出9μs處為信息頭起始點(diǎn)，此例中的從模塊的am_addr為101。有明顯不同之處，即在載荷部分。由于是01交替出現，相比上例的1111與0000交替出現碼間干擾明顯減少，頻率占用的峰值減小(圖中密集的小鋸齒部分)，約為-75hz～+75hz。

---藍牙數據包的能量分布如圖5所示。在藍牙的射頻部分使用了跳頻技術(shù)，在ism頻段內，劃分了79個(gè)頻率通道，每通道帶寬為1mhz。在實(shí)際藍牙通信中，頻率是均勻分布在這79個(gè)頻率通道中的，它們起于2.402ghz,終于2.480ghz。這種跳頻技術(shù)有效遏制了頻率選擇性干擾和衰減對通信的影響。由于測試模式工作于非跳頻模式，由圖可看出，其能量是均勻分布于一個(gè)固定頻率段的。由圖可知，中心頻率是2.452ghz，所使用的是第50號頻率通道。

結論
---本文介紹了藍牙模塊的測試模式，提出了一種具體的測試方法并對測試結果進(jìn)行了評價(jià)。這方面的研究將有助于對藍牙技術(shù)的進(jìn)一步了解、推廣和應用。