甘秉鴻　羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

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羅德與施瓦茨技術(shù)專欄

R&S藍(lán)牙低功耗測試解決方案

甘秉鴻羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

編者按：經(jīng)過近10年移動通信、電子技術(shù)的高速發(fā)展，藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電信業(yè)、計算機業(yè)、家電業(yè)、醫(yī)療、汽車電子等領(lǐng)域，給我們的生活帶來巨大的便利。羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司甘秉鴻所撰《R&S藍(lán)牙低功耗測試解決方案》一文介紹了藍(lán)牙低功耗技術(shù)的特點及物理層特性，然后從技術(shù)認(rèn)證的測試需求著手，介紹了羅德與施瓦茨公司對其物理層測試的整體解決方案。自4.0核心規(guī)范發(fā)布近6年來，低功耗產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度也發(fā)展迅速，目前已經(jīng)有多家芯片廠商的產(chǎn)品通過了SIG論壇認(rèn)證，產(chǎn)品的市場化也已大規(guī)模發(fā)展，此技術(shù)將會有廣闊的發(fā)展前景。隨著無線技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，此項技術(shù)仍然會不斷更新，不斷完善。

摘要：介紹了藍(lán)牙低功耗技術(shù)的特點及物理層特性，然后從技術(shù)認(rèn)證的測試需求著手，介紹了羅德與施瓦茨公司對其物理層測試的整體解決方案。

關(guān)鍵詞：低功耗；BLE；ISM

1　藍(lán)牙技術(shù)簡介

藍(lán)牙（Bluetooth）是一種短距離的無線通訊技術(shù)，最初是研究在移動電話和其它配件間進(jìn)行低功耗、低成本無線通信連接的方法。發(fā)明者希望為設(shè)備間的通訊創(chuàng)造一組統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議，以解決用戶間互不兼容的移動電子設(shè)備的互聯(lián)互通，這些設(shè)備之間省去了傳統(tǒng)的電線。透過芯片上的無線接收器，配有此技術(shù)的電子設(shè)備能夠在短距離內(nèi)彼此相通，傳輸速度可以達(dá)到1Mbit/s。和當(dāng)時流行的紅外線技術(shù)相比，它有著更高的傳輸速度，而且不需要像紅外線那樣進(jìn)行接口對接口的連接，所有設(shè)備基本上只要在有效通訊范圍內(nèi)使用，就可以進(jìn)行隨時連接。

當(dāng)1.0版本推出后，并未立即受到廣泛的應(yīng)用，除了當(dāng)時對應(yīng)功能的電子設(shè)備種類少，藍(lán)牙裝置也十分昂貴。2001年的1.1版正式列入IEEE標(biāo)準(zhǔn)，1.1版本即為IEEE802.15.1。幾年之后，采用此技術(shù)的電子裝置就像雨后春筍般增加，售價也大幅回落。為了擴寬藍(lán)牙的應(yīng)用層面和傳輸速度，技術(shù)聯(lián)盟SIG先后推出了1.2、2.0版以及其它附加新功能。例如，增強型速率EDR（EnhancedDataRate），配合2.0版本的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，將最大傳輸速度提高到3Mbit/s。3.0版本在適配層協(xié)議應(yīng)用了Wi-Fi技術(shù)，即可在需要的時候調(diào)用802.11Wi-Fi用于實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率提高到了大約24Mbit/s。而最新推出的4.0版本在電池時間、節(jié)能和設(shè)備種類上，以及有效傳輸距離上均有所提升。4.0規(guī)范的核心技術(shù)是低功耗技術(shù)（LowEnergy），該技術(shù)的最大特點是擁有超低的運行功耗和待機功耗，配備此功能的設(shè)備使用一粒紐扣電池甚至可以連續(xù)工作數(shù)年之久。

2　藍(lán)牙低功耗技術(shù)

2.1省電原理

設(shè)備耗電幾乎是傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備的1/10，其主要改變體現(xiàn)在待機功耗的減少、高速連接的實現(xiàn)和峰值功率的降低3個方面。

（1）待機功耗的減少

傳統(tǒng)設(shè)備的待機耗電量大一直是為人所詬病的缺陷之一，這與傳統(tǒng)技術(shù)動輒采用16～32個頻道進(jìn)行廣播不無關(guān)系，而4.0版本僅使用了3個廣播通道，且每次廣播時射頻的開啟時間也由傳統(tǒng)的22.5ms減少到0.6～1.2ms，這兩個協(xié)議規(guī)范上的改變顯然大大降低了因為廣播數(shù)據(jù)導(dǎo)致的待機功耗。此外，還設(shè)計了用深度睡眠狀態(tài)來替換傳統(tǒng)的空閑狀態(tài)，在深度睡眠狀態(tài)下，主機長時間處于超低的負(fù)載循環(huán)狀態(tài)，只在需要運作時由控制器來啟動，這樣的設(shè)計同樣可以降低因為控制器工作所導(dǎo)致的功率消耗。

（2）高速連接的實現(xiàn)

按照傳統(tǒng)藍(lán)牙的協(xié)議規(guī)范，若某一設(shè)備正在進(jìn)行廣播，則它不會響應(yīng)當(dāng)前正在進(jìn)行的設(shè)備掃描，而低功耗協(xié)議規(guī)范允許正在進(jìn)行廣播的設(shè)備連接到正在掃描的設(shè)備上，這就有效避免了重復(fù)掃描，而通過對連接機制的改善，設(shè)備連接建立過程可控制在3ms內(nèi)完成，同時能以應(yīng)用程序迅速啟動鏈接器，并以數(shù)毫秒的傳輸速度完成經(jīng)認(rèn)可的數(shù)據(jù)傳遞后并立即關(guān)閉連結(jié)，而傳統(tǒng)協(xié)議下即使只是建立鏈路層連接都需要花費100ms，建立邏輯鏈路控制與適應(yīng)協(xié)議層的連接建立時間則更長。

（3）峰值功率的降低

標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙使用的數(shù)據(jù)包長度更長，在發(fā)送這些較長數(shù)據(jù)包時，無線設(shè)備必須在相對較高的功耗狀態(tài)下保持更長時間，從而容易使硅片發(fā)熱。這種發(fā)熱將改變材料的物理特性，進(jìn)而改變傳輸頻率，因此需要對無線設(shè)備進(jìn)行頻繁的校準(zhǔn)。再次校準(zhǔn)將消耗更多的功率，并且還將采取閉環(huán)結(jié)構(gòu)。相反，藍(lán)牙低功耗對數(shù)據(jù)包的長度進(jìn)行了更加嚴(yán)格的定義，支持超短（8～27Byte）數(shù)據(jù)包，這能使硅片保持在低溫狀態(tài)下，因此藍(lán)牙低功耗不需要進(jìn)行再次校準(zhǔn)和采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)。

2.2物理層特性

采用時分雙工TDD工作方式，主設(shè)備在偶數(shù)時隙上發(fā)射，從設(shè)備在奇數(shù)時隙上發(fā)射，網(wǎng)內(nèi)部的話音和數(shù)據(jù)比特通過數(shù)據(jù)包發(fā)射。一個數(shù)據(jù)包包括一個接入碼、一個包頭和一個有效載荷段，其中接入碼包括前導(dǎo)序列、同步字和可選的字尾；包頭包含網(wǎng)地址和數(shù)據(jù)包信息；其物理層特性包括頻率、功率、物理層、數(shù)據(jù)單元和調(diào)制特性。

（1）工作頻率

系統(tǒng)工作于2.4GHzISM頻段：2400～2483.5MHz，采用40個射頻信道，這些射頻信道的中心頻率按2402+k×2MHz（k=0，…，39）規(guī)則運行。

（2）發(fā)射功率

系統(tǒng)的輸出功率大概在-20（0.01mW）～10dBm （10mW）。

（3）物理層結(jié)構(gòu)

BLE系統(tǒng)用于廣播信道和數(shù)據(jù)信道的數(shù)據(jù)連接層，只有一個數(shù)據(jù)包格式（見圖1），每個數(shù)據(jù)包包含4個域：前導(dǎo)、地址訪問、數(shù)據(jù)PDU及CRC校驗。從物理層數(shù)據(jù)格式可以看出，數(shù)據(jù)包最短80bit，最長376bit。

圖1　物理層結(jié)構(gòu)

（4）數(shù)據(jù)信道單元PDU

數(shù)據(jù)信道單元PDU有16位長的頭文件，凈荷可變，也可能包括了信息完整性檢測域MIC，具體參見圖2。

圖2　數(shù)據(jù)信道單元PDU

（5）調(diào)制特性

藍(lán)牙低功耗采用了調(diào)制指數(shù)為0.5的GFSK調(diào)制，即GMSK調(diào)制，頻率偏移為250kHz，符號速率達(dá)1Mbit/s。

3　藍(lán)牙低功耗BLE認(rèn)證測試

具備此功能的產(chǎn)品都需要經(jīng)過SIG論壇的認(rèn)證，否則將被視為侵權(quán)行為。產(chǎn)品的認(rèn)證，可以充分保證產(chǎn)品與核心規(guī)范的一致性及產(chǎn)品間的互操作性，是產(chǎn)業(yè)化中最重要的一個環(huán)節(jié)。

認(rèn)證測試包括發(fā)射測試和接收測試，與傳統(tǒng)設(shè)備的射頻測試規(guī)范相比，低功耗簡化了該部分的測試，包括極限條件在內(nèi)的全部測試內(nèi)容只有14個，射頻測試項目如表1所示。

表1　射頻測試項目

其中，極限條件指的是高低溫和高低壓。

4　藍(lán)牙低功耗測試解決方案

基于對物理層特性的理解，根據(jù)測試規(guī)范，羅德與施瓦茨公司提供了一套完善的測試解決方案，克服了藍(lán)牙的測試挑戰(zhàn)。

4.1發(fā)射機測試

使用FSW/FSV可以輕松完成GFSK調(diào)制信號的分析，包括射頻指標(biāo)測試和調(diào)制質(zhì)量分析，具體測試平臺參見圖3。

（1）輸出功率

圖3　測試框圖

輸出功率的測試是在時域進(jìn)行，設(shè)置頻譜儀為時域模式，掃描時間必須覆蓋一個完整的數(shù)據(jù)包。另外，由于是一突發(fā)信號，需要使用觸發(fā)才能看到整個信號，采用功率觸發(fā)或者外觸發(fā)，可以得到其信號的輸出功率，具體參見圖4。

圖4　輸出功率測試結(jié)果

（2）帶內(nèi)雜散

該測試可以幫助減小整個信道的干擾，根據(jù)測試規(guī)范的要求，此處的帶內(nèi)雜散即為鄰近信道功率測量ACLR。通過分析頻域的信號電平，確保整個信道滿足規(guī)范要求，具體參見圖5。

（3）調(diào)制特性和載波頻率偏移

對調(diào)制質(zhì)量的測試，要求分析儀對其信號進(jìn)行解調(diào)，以得到IQ性能和每個符號的頻率偏移、解調(diào)測試，包括了調(diào)制特性和載波頻率偏移。

矢量信號分析儀除了可以對其信號進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)制質(zhì)量測試，還能量化和跟蹤產(chǎn)生信號問題的根源，如發(fā)射機干擾引起的互調(diào)、電源噪聲的疊加及載波頻率漂移帶來的影響。

圖5　鄰道功率測試結(jié)果

從解調(diào)結(jié)果來看，不僅可以得到調(diào)制誤差和載波頻率誤差，同時還可以得到FSK的頻偏、幅度誤差、功率以及星座圖和解調(diào)數(shù)據(jù)（見圖6）。

圖6　調(diào)制特性和載波頻率偏移測試結(jié)果

4.2接收機測試

羅德與施瓦茨公司的矢量信號源都可配置Bluetooth功能，包括了基本速率和增強速率及低功耗兩種不同模式，通過選擇低功耗模式，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，如數(shù)據(jù)包類型和數(shù)據(jù)包長等參數(shù)，即可產(chǎn)生用于接收機測試的藍(lán)牙低功耗信號，具體設(shè)置參見圖7。

（1）接收靈敏度和最大輸入信號電平測試

靈敏度測試是為了檢測設(shè)備在最小最大輸入電平的條件下，是否可以正常工作。測試過程中，要求信號源能提供滿足設(shè)備要求的最小最大輸出電平，直至設(shè)備的誤碼率BER或誤包率PER在規(guī)范要求的范圍以內(nèi)。

（2）載干比C/I性能測試

載干比C/I性能測試是指在發(fā)生有用信號的同時，在相鄰信道同時發(fā)射干擾信號，然后測試產(chǎn)品的誤碼率BER或誤包率PER（見圖8）。測試儀表需要一個發(fā)射正常工作的主信號，同時需要提供一個可生成干擾源，在此指標(biāo)的測試上，具備多種方法，一是可以使用雙通道矢量信號源SMW；二是可以使用兩臺矢量信號源完成。

（3）阻塞性能測試

阻塞性能測試類似于載干比性能測試，唯一不同的地方在于，阻塞性能測試要求在主信號旁邊加一連續(xù)波CW信號干擾，并且連續(xù)波干擾信號的頻率需要從30MHz～12.75GHz。因此，需要一臺微波源，測試平臺如圖9所示。

（4）互調(diào)測試

互調(diào)性能測試是指兩個信號或多個信號同時作用在設(shè)備上，考察他們的互調(diào)成分對設(shè)備接收的影響（見圖10）。測試過程中，需要提供3個信號，即正常工作的信號、連續(xù)波信號、帶調(diào)制的干擾信號。

（5）誤包率測試

圖7　信號源測試模式

圖8　載干比C/I性能測試

圖9　阻塞性能測試

圖10　互調(diào)性能測試

誤包率的測試是用來評估接收機的基本性能，通過比較發(fā)送的有效數(shù)據(jù)包和收到的有效數(shù)據(jù)包，計算得到誤包率PER。因此，有兩種方法可行：

●設(shè)備本身具備誤包率PER統(tǒng)計功能：只需要提供配置藍(lán)牙功能的矢量信號源即可完成。

●設(shè)備本身不具備誤包率PER統(tǒng)計功能：需要一種具備誤包率PER測試功能的儀表，例如綜測儀CMW500或CBT就能完成此項指標(biāo)測試。

5　藍(lán)牙低功耗BLE配置方案

羅德與施瓦茨公司提供了一系列的儀器以滿足這種設(shè)備的各種測試需求，本文將對此測試儀器，包括接收和發(fā)射測試進(jìn)行簡單介紹，具體配置參考見表2。

6　結(jié)束語

經(jīng)過近10年移動通信、電子技術(shù)的高速發(fā)展，藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電信業(yè)、計算機業(yè)、家電業(yè)、醫(yī)療、汽車電子等領(lǐng)域，對我們的生活帶來巨大的便利。自4.0核心規(guī)范發(fā)布近6年來，低功耗產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度也發(fā)展迅速，目前已經(jīng)有多家芯片廠商的產(chǎn)品通過了SIG論壇認(rèn)證，產(chǎn)品的市場化也已大規(guī)模發(fā)展，此技術(shù)將會有廣闊的發(fā)展前景。隨著無線技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，此項技術(shù)仍然會不斷更新，不斷完善。

參考文獻(xiàn)

［1］Bluetooth Low Energy RF PHYTestSpecification.

［2］VectorSignalGeneratorR&SSMW200ASpecifications.

［3］VectorSignalGeneratorR&SSMBV100ASpecifications.

［4］VectorSignalGeneratorR&SSGT100ASpecifications.

［5］SpectrumAnalyzerR&SFSW-K70Specifications.

［6］SpectrumAnalyzerR&SFSV-K70Specifications.

表2　配置參考