藍(lán)牙射頻技術(shù)及其測(cè)試項(xiàng)目

藍(lán)牙設(shè)備工作于ISM頻段，通過高斯頻移鍵控(GFSK)數(shù)字頻率調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)彼此間的通信，設(shè)備間采用時(shí)分復(fù)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(duì)藍(lán)牙設(shè)備來說，RF部分是主要測(cè)試內(nèi)容之一。

藍(lán)牙射頻設(shè)計(jì)采用了多種系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，既有傳統(tǒng)模擬調(diào)制基于中頻的系統(tǒng)，也有基于數(shù)字IQ調(diào)制器/解調(diào)器配置的系統(tǒng)，但無論采用哪種設(shè)計(jì)配置，在產(chǎn)品開發(fā)過程中都必須解決下面的問題：

·全球各地法規(guī)要求

·藍(lán)牙認(rèn)證

·簡單高效制造測(cè)試

·與其它廠商產(chǎn)品的良好兼容性

藍(lán)牙射頻技術(shù)

藍(lán)牙設(shè)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(yùn)行。它使用稱為0.5BT高斯頻移鍵控(GFSK)的數(shù)字頻率調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)彼此間的通信。也就是說把載波上移157kHz代表“1”，下移157kHz代表“0”，速率為100萬符號(hào)(或比特)/秒，然后用“0.5”將數(shù)據(jù)濾波器的-3dB帶寬設(shè)定在500kHz，這樣可以限制射頻占用的頻譜。

兩個(gè)設(shè)備間通過時(shí)分復(fù)用(TDD)方式通信，發(fā)送器和接收器在相隔時(shí)段中交替?zhèn)魉?，即一個(gè)挨著另一個(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(yù)計(jì)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(lán)牙結(jié)構(gòu)中，接收器僅采用一次下轉(zhuǎn)換，這類設(shè)計(jì)使用一個(gè)簡單的本地振蕩器，輸出經(jīng)過倍頻，并在接收器和發(fā)送器間切換。FSK允許直接VCO調(diào)制，基帶數(shù)據(jù)通過一個(gè)固定時(shí)間延遲且無過沖高斯濾波器，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(diào)制器解除基帶內(nèi)的相位調(diào)制。通常中頻相當(dāng)高，以限制濾波器元件的物理尺寸，使中頻遠(yuǎn)離LO頻率，確保足夠的鏡像抑制。如果電平過高造成接收器輸入過載，則應(yīng)使用天線開關(guān)。

測(cè)試項(xiàng)目

下面介紹一些適用于藍(lán)牙設(shè)備RF部分的測(cè)試。

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

無論設(shè)計(jì)提供的功率是+20dBm還是更低，接收器都需要有接收信號(hào)強(qiáng)度指示，RSSI信息允許不同功率設(shè)備間互相聯(lián)系，這類設(shè)計(jì)中的功率斜率可由控制放大器的偏置電流實(shí)現(xiàn)。

與其它TDMA系統(tǒng)如DECT或GSM不同，藍(lán)牙頻譜測(cè)試并不限于單獨(dú)的功率控制和調(diào)制誤差測(cè)試，它的測(cè)量間隔時(shí)間必須足夠長，以采集到斜率和調(diào)制造成的影響。在實(shí)際中這不會(huì)影響認(rèn)證，時(shí)間選通測(cè)量由于能迅速確定缺陷，具有很高的價(jià)值。有些設(shè)計(jì)在調(diào)制開始前使用未經(jīng)指定的周期，這通常用于接收器的準(zhǔn)備。

頻率誤差──藍(lán)牙規(guī)范中所有頻率測(cè)量選取較短的4微秒或10微秒選通周期，這樣會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的不定性，可從不同的角度進(jìn)行理解。首先，窄的時(shí)間開口意味著測(cè)量帶寬截止頻率較高，會(huì)把各類噪聲引入測(cè)量；其次應(yīng)考慮誤差機(jī)制，如在短間隔測(cè)量中，來自測(cè)量設(shè)備的量化噪聲或振蕩器邊帶噪聲將占較大百分比，而較長測(cè)量間隔中這些噪聲影響會(huì)被平均掉。因此設(shè)計(jì)范圍要考慮這一因素，它應(yīng)超過參考晶振產(chǎn)生的靜態(tài)誤差。

頻率漂移──漂移測(cè)量將短的10位相鄰數(shù)據(jù)組和跨越脈沖的較長漂移結(jié)果結(jié)合在一起。如果在發(fā)送器設(shè)計(jì)中用了采樣-保持設(shè)計(jì)，就可能出現(xiàn)這一誤差。對(duì)其它類型設(shè)計(jì)，在波形圖上可觀察到像紋波一樣的有害4kHz至100kHz調(diào)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(diào)制──在發(fā)送路徑中，圖1中的VCO被直接調(diào)制，為避免PLL剝離帶寬內(nèi)調(diào)制成分，可讓傳輸器件開路或使用相位誤差校正(兩點(diǎn)調(diào)制)。采樣-保持技術(shù)應(yīng)該是有效的，但需注意避免頻率漂移。除非使用數(shù)字技術(shù)調(diào)整合成器的分頻比，否則應(yīng)校準(zhǔn)相位調(diào)制器，以免出現(xiàn)不同數(shù)據(jù)碼型調(diào)制的響應(yīng)平坦度低的問題。

藍(lán)牙RF規(guī)范要檢查11110000和10101010兩種不同碼型的峰值頻率偏移，]GMSK調(diào)制濾波器的輸出在2.5bit后達(dá)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(shè)計(jì)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(diào)制頻率為500kHz，此時(shí)的比特率為100萬符號(hào)/秒。

帶內(nèi)頻譜──-20dB測(cè)試可確認(rèn)調(diào)制和脈沖信號(hào)的確在1MHz寬的波段中，圖2的方框可以看作是極限范圍，通過設(shè)置10kHz分辨率帶寬可實(shí)現(xiàn)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(cè)量。通過頻率寬度測(cè)試而不僅只是固定模板測(cè)試，該方法能使波形偏離精確的中心頻率，效果與信號(hào)模板內(nèi)對(duì)中非常類似，圖中隆起部分由數(shù)據(jù)包報(bào)頭的非數(shù)據(jù)白化零造成。

鄰近信道測(cè)量作為系列點(diǎn)頻測(cè)量中的一項(xiàng)是規(guī)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(cè)量，這與GSM、DECT和PDC之類其它TDMA系統(tǒng)測(cè)量有所不同。

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

圖3顯示了設(shè)備的一個(gè)信號(hào)，它不存在次級(jí)諧波，但會(huì)產(chǎn)生超過9GHz的諧波，這正是標(biāo)準(zhǔn)頻譜分析儀能進(jìn)行的測(cè)量。對(duì)于研究工作來說，雖然可使用更快的掃描時(shí)間，但仍要好幾秒。如果選擇長掃描時(shí)間，則需要用具有深數(shù)據(jù)捕獲緩沖器的新型頻譜分析儀，這類儀器能對(duì)特定感興趣的點(diǎn)作掃描后的放大。

有些設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)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(hào)處理轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)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(shè)計(jì)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(jì)。

所有這些的IQ級(jí)校準(zhǔn)都需要仔細(xì)考慮，已發(fā)表很多關(guān)于雷達(dá)和蜂窩應(yīng)用的技術(shù)文章介紹了所使用的序列和信號(hào)。RF輸出直接應(yīng)用IQ調(diào)制可能會(huì)對(duì)信號(hào)造成重大影響，但調(diào)制器未對(duì)準(zhǔn)頻率誤差則不會(huì)造成影響，因?yàn)轭l率僅僅是相位改變率，不過也許難以在頻譜上鑒別出誤差。

IQ調(diào)制誤差意味著存在幅度調(diào)制，可用功率-時(shí)間顯示進(jìn)行檢測(cè)，或用矢量分析儀做詳細(xì)調(diào)查。 IQ調(diào)制器也可用來整形功率斜坡，這再次說明了選通測(cè)量的價(jià)值。在接收鏈所有測(cè)量進(jìn)行之前，還有些數(shù)字處理需要測(cè)量誤碼。另外可能出現(xiàn)零中頻系統(tǒng)，可由查找接收器混頻器輸出和ADC輸入之間的DC塊識(shí)別。像LO-RF反饋這類非理想情況會(huì)產(chǎn)生隨輸入頻率改變的直流成分，需要認(rèn)真予以處理。另外邊帶抑制也是一個(gè)問題，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(diào)各種各樣信號(hào)，盡管直接應(yīng)用FSK也許不能涵蓋更復(fù)雜的情況，但在IQ設(shè)計(jì)過程中可能要考慮其它制式，如藍(lán)牙2、蜂窩技術(shù)或LAN。

為了解設(shè)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察相同數(shù)據(jù)的結(jié)果。偏差觀察為正確碼型調(diào)制提供快速直觀確認(rèn)，眼圖和FSK誤差可顯示調(diào)制質(zhì)量，而解調(diào)數(shù)據(jù)觀察則使用戶能檢查前同步碼、報(bào)頭、同步字和有效載荷數(shù)據(jù)的存在。

設(shè)計(jì)模擬──更高級(jí)的集成關(guān)注于模擬工具，這些工具不僅能迅速評(píng)估不同電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，更有先進(jìn)的工具把各種有效和受損信號(hào)注入接收器。

最近有兩種非常有利于產(chǎn)品開發(fā)的進(jìn)展，第一是數(shù)字信號(hào)發(fā)生器和矢量信號(hào)分析塊的集成，它提供了模擬和實(shí)際測(cè)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(jié)果。第二是可以使工具設(shè)置自動(dòng)化的設(shè)計(jì)指南，讓用戶能更好地用設(shè)計(jì)軟件評(píng)估實(shí)際電路，而不必在基本配置信息中根據(jù)特定無線技術(shù)編寫程序。

接收器測(cè)試──圖1中的鑒別器是一個(gè)混頻器/調(diào)諧電路，它是一個(gè)直通器件，但也需要進(jìn)行校準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)特性描述過程中，一定要注意某些結(jié)果的非正態(tài)(高斯)分布。

由于調(diào)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。延遲線鑒別器是另一種可能的選擇，但也需要經(jīng)過校準(zhǔn)。

前端放大器設(shè)計(jì)和測(cè)試關(guān)注的是干擾，而不是最好的噪聲系數(shù)，或1dB壓縮特性。已公開的很多技術(shù)能通過接收器鏈動(dòng)態(tài)改變?cè)鲆?，?yōu)化對(duì)有害信號(hào)的抑制。也可對(duì)信號(hào)發(fā)生器使用同步脈沖幅度調(diào)制，這種測(cè)試對(duì)AGC系統(tǒng)特別是當(dāng)系統(tǒng)由軟件控制時(shí)的脈沖間響應(yīng)很有用。

測(cè)試接收器跳頻──如前所述，所有藍(lán)牙設(shè)計(jì)中都會(huì)采用的元件是簡單的本地振蕩器，其邊帶效應(yīng)會(huì)在全部調(diào)諧范圍造成小于300微秒的時(shí)滯，當(dāng)設(shè)備工作于藍(lán)牙測(cè)試模式時(shí)也必然產(chǎn)生這一效應(yīng)。

在發(fā)送期間，必須在ISM頻段的接收測(cè)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(zhuǎn)換跳回到接收器頻率。每一脈沖都可用于數(shù)據(jù)傳輸，因此可使用連續(xù)序列，從而在使用跳頻源時(shí)無需進(jìn)行跳頻BER測(cè)試。雖然可以這樣做，但在使用鏈路信號(hào)之前用戶必須安排好對(duì)信號(hào)發(fā)生器和被測(cè)設(shè)備的同時(shí)控制。一旦比特轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式就可進(jìn)行BER測(cè)試，表1列出了幾種可行的測(cè)試方法。