藍牙收發(fā)器transceiver IC測試

藍牙規(guī)范的第一個正式版本1.0版已于1999年7月發(fā)布，之后許多廠商都推出了支持藍牙產品的高性價比集成電路芯片。隨著藍牙產品越來越普及，制造商需要以較低的成本完成大量測試工作。本文針對藍牙射頻前端收發(fā)器，著重介紹藍牙技術規(guī)范中定義的各類測試參數(shù)。

今天的電子工程師幾乎沒有人沒聽說過“藍牙”的概念，這個詞出自公元10世紀丹麥國王Harald Blaatand，他為了聯(lián)系他的臣民曾在挪威和丹麥建立了一個通信系統(tǒng)。開發(fā)藍牙技術是為了使個人數(shù)字助理(PDA)、移動電話外設及其它移動計算設備不必使用昂貴的專用線纜就可以進行通信，正因為此，藍牙又被稱作“個人區(qū)域網絡(PAN)”。對藍牙產品來說，最基本的要求是低價格、高可靠性、低能耗和有限工作范圍。

最初藍牙定義為采用全球適用的2.4GHz ISM頻段進行短距離通信(10至15米)，不過最近芯片制造商的不斷提高使藍牙技術遠遠超出當初的設計水平，一些OEM制造商希望能在20到30米辦公室環(huán)境和100米開放環(huán)境下使用藍牙技術，他們期待將藍牙作為網絡連接技術，使筆記本電腦用戶通過無線接入點進入到局域網中。

藍牙技術由4個主要部分組成，分別是應用軟件、藍牙棧、硬件和天線，本文針對硬件和射頻前端收發(fā)器，重點介紹藍牙技術規(guī)范中定義的各類測試參數(shù)。

藍牙收發(fā)器

對集成RF收發(fā)器的測試要求可以典型的RF藍牙原理框圖(圖1)來說明。

◆藍牙發(fā)射器藍牙無線信號采用高斯頻移鍵控(GFSK)方式調制，發(fā)射數(shù)據(jù)(Tx)通過高斯濾波器濾波后，用濾波器的輸出對VCO頻率進行調制。根據(jù)串行輸入數(shù)據(jù)流邏輯電平，VCO頻率會從其中心頻率向正負兩端偏離，偏移量決定了發(fā)射器的調制指數(shù)，調制的信號經放大后由天線發(fā)射出去。

藍牙無線信號在半雙工模式下工作，用一個RF多路復用開關(位于天線前)將天線連接到發(fā)射或接收模式。

◆藍牙接收器與設備接收部分相似，從另一個藍牙設備發(fā)射來的GFSK信號也是由天線接收的。在這期間，開關與低噪聲放大器(LNA)相連，對接收到的信號(Rx)進行放大。下一級混頻器將接收信號下變換到IF頻率(一般為幾MHz)，進行該步驟時用于發(fā)射的PLL/VCO部分作為接收器下變頻本機振蕩器使用，將IF信號解調并恢復出數(shù)據(jù)。

擴展頻譜

藍牙無線通信的一個獨特之處就是它使用了擴頻技術，該技術原來是為軍事應用開發(fā)的，因為軍事應用中無線數(shù)據(jù)傳送必須安全可靠。傳統(tǒng)意義上的窄帶應用要消耗更多功率，在一個頻率上停留的時間很長，因此頻譜很容易被檢測到；而將發(fā)射器功率分配(擴展)到更大的帶寬上之后，此時信號看起來更像隨機噪聲，這相當于犧牲帶寬效率來換取可靠性和安全性。由于功率密度較低，這些系統(tǒng)對其它信號接收器干擾小，而且即便存在信號丟失頻段，數(shù)據(jù)也可以在其它頻率恢復，從而增強了對干擾和噪聲的抵抗能力。兩種最主要的擴頻形式是跳頻(FHSS)和直接序列(DSSS)，用原始數(shù)據(jù)對載波進行調制并使用與每個鏈路端點跳頻代碼一致的頻率范圍發(fā)射時(圖2)使用FHSS系統(tǒng)。采用這種方式后，由于某個頻率干擾而丟失的數(shù)據(jù)可以通過另一個頻率發(fā)射，F(xiàn)HSS中的擴展代碼生成器直接用GFSK調制技術對載波頻率進行調制。

GFSK調制

GFSK是一項調制技術，它在一個比特持續(xù)時間內由數(shù)據(jù)線性修改載波周期部分載波頻率，頻率變換速率是數(shù)據(jù)率的函數(shù)，頻率變換大小是數(shù)據(jù)幅值的函數(shù)，它們之間的相互關系以調制指數(shù)β來表示。

FSK信號調制指數(shù)β由下面公式計算：

β=2Δf/fi

此處fi是以赫茲表示的數(shù)據(jù)頻率(對藍牙來說典型值為1MHz)，Δf是載波的頻偏。

如果選擇140kHz作為藍牙載波頻偏，那么：

β=2Δf/fi=280kHz/1MHz=0.28且

FFSK=Acos(2πfc(t)+0.28π∫m(t)dt)

這里A是數(shù)字數(shù)據(jù)的振幅，m(t)是持續(xù)一個比特時間且直流電平為±1的數(shù)字數(shù)據(jù)。

可以用靈敏度為140kHz/V的壓控振蕩器作為FSK調制器，其β=0.28，通常要讓輸入數(shù)據(jù)流經過限制器以確保電路頻差為140kHz。

載波頻偏(發(fā)射模式)取決于輸入數(shù)據(jù)流的振幅，反過來也一樣成立，解調后載波的數(shù)據(jù)振幅是載波偏差(接收模式)的函數(shù)，這一點對系統(tǒng)誤碼率(BER)是很重要的。

BER是每個發(fā)射比特相對于每比特所包含噪聲功率的函數(shù)，它們之間關系用Eb/No表示，即每個比特的功率噪聲比?？赏ㄟ^減少接收器噪聲或提高發(fā)射功率來改善Eb/No，也可提高每個發(fā)射比特的功率改善Eb/No。提高載波頻偏能增加每個發(fā)射比特的功率，從而提高Eb/No并降低比特出錯率；但其負面影響是提高頻偏會導致增加頻寬，降低系統(tǒng)的信道數(shù)量。

有效的通信要求有一個最小誤碼率，藍牙技術指標規(guī)定為在72dBm時BER為0.1%，即每1,000比特的數(shù)據(jù)流中有1個錯誤。一致性規(guī)范要求測得的靈敏度(作為BER)在三個頻率上超過160萬比特，由于該項測試使用標準單隙(DH1)數(shù)據(jù)包進行，至少需要25秒，所以為節(jié)約時間，實際應用中即使頻率數(shù)量減少，也只測量較少比特數(shù)。

藍牙收發(fā)器測試規(guī)范

藍牙標準對RF載波調制數(shù)據(jù)要求規(guī)定如下：

·調制方式： 高斯頻移鍵控(GFSK) ·高斯濾波器： 0.5 ·輸出功率： 0dBm和+20dBm ·數(shù)據(jù)速率： 1Mb/s ·信道帶寬： 1MHz ·頻偏(Δf)： 140kHz～175kHz(調制指數(shù)0.28～0.35) ·誤碼率(BER)靈敏度：0.1% @ -72dBm

藍牙定義將1mW或0dBm作為標稱系統(tǒng)，發(fā)射功率峰值不超過20dBm，這樣設計是為了進行短程操作且不會干擾其它無線系統(tǒng)，在1MHz帶寬(載波間隔為1MHz)使用高斯過濾頻移鍵控(GFSK)調制。美國和歐洲(法國與西班牙除外)有79個1MHz信道，法國、西班牙和日本在2.4GHz范圍僅有23個1MHz信道。

圖3顯示了7個連續(xù)時間間隔使用DH1、DH2和DH5包的包時序協(xié)議，由于發(fā)射和接收包長度都相同，所以DH1有一個對稱鏈接，收發(fā)器在偶數(shù)時間間隔發(fā)射數(shù)據(jù)而在奇數(shù)時間間隔接收數(shù)據(jù)。DH3使用3個時間間隔，DH5用5個，DH3和DH5包的有效載荷比較長，由于協(xié)議的開銷是固定的(存取編碼+報頭)，所以可提供更高數(shù)據(jù)流量。

對于發(fā)射器來說，以下是一些比較重要的測試參數(shù)：

·調制載波功率 ·-20dB帶寬 ·載波頻率容差 ·發(fā)射器頻率偏移 ·調制指數(shù) ·發(fā)射器設置時間 ·發(fā)射器鄰信道泄漏功率

圖4是收發(fā)器處于發(fā)射模式時的典型測試設置條件，收發(fā)器設置為測試-20dB帶寬參數(shù)，采用藍牙設備的電源供電，PLL/VCO利用所要求的數(shù)字模式在上述藍牙信道(2.4～2.5GHz)進行編碼，當設備在該信道編碼完成后，將有一個預先規(guī)定的等待時間以便將VCO設置到編碼載波頻率。

然后把PLL放入開環(huán)中，這樣就可進行調制并將偽隨機位序列(PRBS)數(shù)據(jù)提供給Tx數(shù)據(jù)引腳。用一個RF端口將RF接收器連接到藍牙發(fā)射器天線上，在數(shù)字模式一段預定義時間之后，RF接收器將被觸發(fā)開始接收發(fā)射信號，并對微波接收器收到的數(shù)字采樣執(zhí)行快速傅立葉變換。對于被捕獲的信號，則在GFSK信號兩邊搜索載波頻率和頻率部分的功率，即從編碼載波頻率中減去20dB，然后計算出帶寬。

和發(fā)射部分類似，一些比較重要的接收測試參數(shù)包括：

·接收器靈敏度 ·同頻干擾 ·相鄰頻道干擾 ·內調制 ·最大輸入電平

在測試接收器靈敏度參數(shù)時，圖4也用于對收發(fā)器進行設置(接收模式)。干擾信號測試的參數(shù)與靈敏度測試類似，但前者還含有干擾調制信號。同頻干擾、相鄰頻道干擾和內調制測試設置等需要用到使用雙音RF合成器的額外RF調制源。

為了給靈敏度測試生成調制載波，需要創(chuàng)建一個PRBS數(shù)據(jù)流并存在測試程序陣列中。IF載波采用數(shù)學GFSK調制器以隨機位流進行調制，IF調制信號來自VHF波形生成器，并由RF源上變頻成Rx測試頻率，然后將該信號通過RF端口接到被測設備上。

被測設備對調制的RF信號進行解調并將位流送到Rx數(shù)據(jù)引腳，再用數(shù)字采樣儀器收集，把收集到的數(shù)據(jù)與原始PRBS數(shù)據(jù)比較，在調制時使用并計算出誤碼率(BER)，接收器靈敏度測試將測量不同輸入功率的BER。

隨著藍牙IC產量的不斷增大，測試可能會成為制造過程中非常耗費成本的一個工序，能滿足要求且最經濟的方法就是在非常短的時間內完成各種測試，自動測試設備(ATE)是提供經濟測試方案的最佳選擇。測試儀器必須具備高質量前端設計并具有足夠的靈活性以滿足各種測試要求，測試儀的RF信號源設置時間應比被測設備的更短，數(shù)字子系統(tǒng)則必須先進以適應混合信號RF設備嚴格的數(shù)字性能要求。另外測試儀器還應有高速、高分辨率DSP器件，以便從藍牙器件和功能強大的DSP引擎獲取信號，滿足每次測試的處理需求。