藍(lán)牙收發(fā)器transceiver IC測(cè)試

藍(lán)牙規(guī)范的第一個(gè)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(lán)牙產(chǎn)品的高性價(jià)比集成電路芯片。隨著藍(lán)牙產(chǎn)品越來(lái)越普及，制造商需要以較低的成本完成大量測(cè)試工作。本文針對(duì)藍(lán)牙射頻前端收發(fā)器，著重介紹藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范中定義的各類測(cè)試參數(shù)。

今天的電子工程師幾乎沒(méi)有人沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)“藍(lán)牙”的概念，這個(gè)詞出自公元10世紀(jì)丹麥國(guó)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(gè)通信系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)藍(lán)牙技術(shù)是為了使個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、移動(dòng)電話外設(shè)及其它移動(dòng)計(jì)算設(shè)備不必使用昂貴的專用線纜就可以進(jìn)行通信，正因?yàn)榇?，藍(lán)牙又被稱作“個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN)”。對(duì)藍(lán)牙產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，最基本的要求是低價(jià)格、高可靠性、低能耗和有限工作范圍。

最初藍(lán)牙定義為采用全球適用的2.4GHz ISM頻段進(jìn)行短距離通信(10至15米)，不過(guò)最近芯片制造商的不斷提高使藍(lán)牙技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)初的設(shè)計(jì)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(kāi)放環(huán)境下使用藍(lán)牙技術(shù)，他們期待將藍(lán)牙作為網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，使筆記本電腦用戶通過(guò)無(wú)線接入點(diǎn)進(jìn)入到局域網(wǎng)中。

藍(lán)牙技術(shù)由4個(gè)主要部分組成，分別是應(yīng)用軟件、藍(lán)牙棧、硬件和天線，本文針對(duì)硬件和射頻前端收發(fā)器，重點(diǎn)介紹藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范中定義的各類測(cè)試參數(shù)。

藍(lán)牙收發(fā)器

對(duì)集成RF收發(fā)器的測(cè)試要求可以典型的RF藍(lán)牙原理框圖(圖1)來(lái)說(shuō)明。

◆藍(lán)牙發(fā)射器藍(lán)牙無(wú)線信號(hào)采用高斯頻移鍵控(GFSK)方式調(diào)制，發(fā)射數(shù)據(jù)(Tx)通過(guò)高斯濾波器濾波后，用濾波器的輸出對(duì)VCO頻率進(jìn)行調(diào)制。根據(jù)串行輸入數(shù)據(jù)流邏輯電平，VCO頻率會(huì)從其中心頻率向正負(fù)兩端偏離，偏移量決定了發(fā)射器的調(diào)制指數(shù)，調(diào)制的信號(hào)經(jīng)放大后由天線發(fā)射出去。

藍(lán)牙無(wú)線信號(hào)在半雙工模式下工作，用一個(gè)RF多路復(fù)用開(kāi)關(guān)(位于天線前)將天線連接到發(fā)射或接收模式。

◆藍(lán)牙接收器與設(shè)備接收部分相似，從另一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備發(fā)射來(lái)的GFSK信號(hào)也是由天線接收的。在這期間，開(kāi)關(guān)與低噪聲放大器(LNA)相連，對(duì)接收到的信號(hào)(Rx)進(jìn)行放大。下一級(jí)混頻器將接收信號(hào)下變換到IF頻率(一般為幾MHz)，進(jìn)行該步驟時(shí)用于發(fā)射的PLL/VCO部分作為接收器下變頻本機(jī)振蕩器使用，將IF信號(hào)解調(diào)并恢復(fù)出數(shù)據(jù)。

擴(kuò)展頻譜

藍(lán)牙無(wú)線通信的一個(gè)獨(dú)特之處就是它使用了擴(kuò)頻技術(shù)，該技術(shù)原來(lái)是為軍事應(yīng)用開(kāi)發(fā)的，因?yàn)檐娛聭?yīng)用中無(wú)線數(shù)據(jù)傳送必須安全可靠。傳統(tǒng)意義上的窄帶應(yīng)用要消耗更多功率，在一個(gè)頻率上停留的時(shí)間很長(zhǎng)，因此頻譜很容易被檢測(cè)到；而將發(fā)射器功率分配(擴(kuò)展)到更大的帶寬上之后，此時(shí)信號(hào)看起來(lái)更像隨機(jī)噪聲，這相當(dāng)于犧牲帶寬效率來(lái)?yè)Q取可靠性和安全性。由于功率密度較低，這些系統(tǒng)對(duì)其它信號(hào)接收器干擾小，而且即便存在信號(hào)丟失頻段，數(shù)據(jù)也可以在其它頻率恢復(fù)，從而增強(qiáng)了對(duì)干擾和噪聲的抵抗能力。兩種最主要的擴(kuò)頻形式是跳頻(FHSS)和直接序列(DSSS)，用原始數(shù)據(jù)對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制并使用與每個(gè)鏈路端點(diǎn)跳頻代碼一致的頻率范圍發(fā)射時(shí)(圖2)使用FHSS系統(tǒng)。采用這種方式后，由于某個(gè)頻率干擾而丟失的數(shù)據(jù)可以通過(guò)另一個(gè)頻率發(fā)射，F(xiàn)HSS中的擴(kuò)展代碼生成器直接用GFSK調(diào)制技術(shù)對(duì)載波頻率進(jìn)行調(diào)制。

GFSK調(diào)制

GFSK是一項(xiàng)調(diào)制技術(shù)，它在一個(gè)比特持續(xù)時(shí)間內(nèi)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(guān)系以調(diào)制指數(shù)β來(lái)表示。

FSK信號(hào)調(diào)制指數(shù)β由下面公式計(jì)算：

β=2Δf/fi

此處fi是以赫茲表示的數(shù)據(jù)頻率(對(duì)藍(lán)牙來(lái)說(shuō)典型值為1MHz)，Δf是載波的頻偏。

如果選擇140kHz作為藍(lán)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?jǐn)?shù)據(jù)的振幅，m(t)是持續(xù)一個(gè)比特時(shí)間且直流電平為±1的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

可以用靈敏度為140kHz/V的壓控振蕩器作為FSK調(diào)制器，其β=0.28，通常要讓輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)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(guò)來(lái)也一樣成立，解調(diào)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(diǎn)對(duì)系統(tǒng)誤碼率(BER)是很重要的。

BER是每個(gè)發(fā)射比特相對(duì)于每比特所包含噪聲功率的函數(shù)，它們之間關(guān)系用Eb/No表示，即每個(gè)比特的功率噪聲比?？赏ㄟ^(guò)減少接收器噪聲或提高發(fā)射功率來(lái)改善Eb/No，也可提高每個(gè)發(fā)射比特的功率改善Eb/No。提高載波頻偏能增加每個(gè)發(fā)射比特的功率，從而提高Eb/No并降低比特出錯(cuò)率；但其負(fù)面影響是提高頻偏會(huì)導(dǎo)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(gè)最小誤碼率，藍(lán)牙技術(shù)指標(biāo)規(guī)定為在72dBm時(shí)BER為0.1%，即每1,000比特的數(shù)據(jù)流中有1個(gè)錯(cuò)誤。一致性規(guī)范要求測(cè)得的靈敏度(作為BER)在三個(gè)頻率上超過(guò)160萬(wàn)比特，由于該項(xiàng)測(cè)試使用標(biāo)準(zhǔn)單隙(DH1)數(shù)據(jù)包進(jìn)行，至少需要25秒，所以為節(jié)約時(shí)間，實(shí)際應(yīng)用中即使頻率數(shù)量減少，也只測(cè)量較少比特?cái)?shù)。

藍(lán)牙收發(fā)器測(cè)試規(guī)范

藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)對(duì)RF載波調(diào)制數(shù)據(jù)要求規(guī)定如下：

·調(diào)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(diào)制指數(shù)0.28～0.35) ·誤碼率(BER)靈敏度：0.1% @ -72dBm

藍(lán)牙定義將1mW或0dBm作為標(biāo)稱系統(tǒng)，發(fā)射功率峰值不超過(guò)20dBm，這樣設(shè)計(jì)是為了進(jìn)行短程操作且不會(huì)干擾其它無(wú)線系統(tǒng)，在1MHz帶寬(載波間隔為1MHz)使用高斯過(guò)濾頻移鍵控(GFSK)調(diào)制。美國(guó)和歐洲(法國(guó)與西班牙除外)有79個(gè)1MHz信道，法國(guó)、西班牙和日本在2.4GHz范圍僅有23個(gè)1MHz信道。[!--empirenews.page--]

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

對(duì)于發(fā)射器來(lái)說(shuō)，以下是一些比較重要的測(cè)試參數(shù)：

·調(diào)制載波功率 ·-20dB帶寬 ·載波頻率容差 ·發(fā)射器頻率偏移 ·調(diào)制指數(shù) ·發(fā)射器設(shè)置時(shí)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(shí)的典型測(cè)試設(shè)置條件，收發(fā)器設(shè)置為測(cè)試-20dB帶寬參數(shù)，采用藍(lán)牙設(shè)備的電源供電，PLL/VCO利用所要求的數(shù)字模式在上述藍(lán)牙信道(2.4～2.5GHz)進(jìn)行編碼，當(dāng)設(shè)備在該信道編碼完成后，將有一個(gè)預(yù)先規(guī)定的等待時(shí)間以便將VCO設(shè)置到編碼載波頻率。

然后把PLL放入開(kāi)環(huán)中，這樣就可進(jìn)行調(diào)制并將偽隨機(jī)位序列(PRBS)數(shù)據(jù)提供給Tx數(shù)據(jù)引腳。用一個(gè)RF端口將RF接收器連接到藍(lán)牙發(fā)射器天線上，在數(shù)字模式一段預(yù)定義時(shí)間之后，RF接收器將被觸發(fā)開(kāi)始接收發(fā)射信號(hào)，并對(duì)微波接收器收到的數(shù)字采樣執(zhí)行快速傅立葉變換。對(duì)于被捕獲的信號(hào)，則在GFSK信號(hào)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(jì)算出帶寬。

和發(fā)射部分類似，一些比較重要的接收測(cè)試參數(shù)包括：

·接收器靈敏度 ·同頻干擾 ·相鄰頻道干擾 ·內(nèi)調(diào)制 ·最大輸入電平

在測(cè)試接收器靈敏度參數(shù)時(shí)，圖4也用于對(duì)收發(fā)器進(jìn)行設(shè)置(接收模式)。干擾信號(hào)測(cè)試的參數(shù)與靈敏度測(cè)試類似，但前者還含有干擾調(diào)制信號(hào)。同頻干擾、相鄰頻道干擾和內(nèi)調(diào)制測(cè)試設(shè)置等需要用到使用雙音RF合成器的額外RF調(diào)制源。

為了給靈敏度測(cè)試生成調(diào)制載波，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)PRBS數(shù)據(jù)流并存在測(cè)試程序陣列中。IF載波采用數(shù)學(xué)GFSK調(diào)制器以隨機(jī)位流進(jìn)行調(diào)制，IF調(diào)制信號(hào)來(lái)自VHF波形生成器，并由RF源上變頻成Rx測(cè)試頻率，然后將該信號(hào)通過(guò)RF端口接到被測(cè)設(shè)備上。

被測(cè)設(shè)備對(duì)調(diào)制的RF信號(hào)進(jìn)行解調(diào)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(diào)制時(shí)使用并計(jì)算出誤碼率(BER)，接收器靈敏度測(cè)試將測(cè)量不同輸入功率的BER。

隨著藍(lán)牙IC產(chǎn)量的不斷增大，測(cè)試可能會(huì)成為制造過(guò)程中非常耗費(fèi)成本的一個(gè)工序，能滿足要求且最經(jīng)濟(jì)的方法就是在非常短的時(shí)間內(nèi)完成各種測(cè)試，自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)是提供經(jīng)濟(jì)測(cè)試方案的最佳選擇。測(cè)試儀器必須具備高質(zhì)量前端設(shè)計(jì)并具有足夠的靈活性以滿足各種測(cè)試要求，測(cè)試儀的RF信號(hào)源設(shè)置時(shí)間應(yīng)比被測(cè)設(shè)備的更短，數(shù)字子系統(tǒng)則必須先進(jìn)以適應(yīng)混合信號(hào)RF設(shè)備嚴(yán)格的數(shù)字性能要求。另外測(cè)試儀器還應(yīng)有高速、高分辨率DSP器件，以便從藍(lán)牙器件和功能強(qiáng)大的DSP引擎獲取信號(hào)，滿足每次測(cè)試的處理需求。