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(chǎn)品的高性價比集成電路芯片。隨著藍牙產(chǎn)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(shù)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(shù)是為了使個人數(shù)字助理(PDA)、移動電話外設(shè)及其它移動計算設(shè)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(wǎng)絡(luò)(PAN)”。對藍牙產(chǎn)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(shù)遠遠超出當初的設(shè)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(shù)，他們期待將藍牙作為網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，使筆記本電腦用戶通過無線接入點進入到局域網(wǎng)中。

藍牙技術(shù)由4個主要部分組成，分別是應(yīng)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(shù)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(diào)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(diào)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(diào)制指數(shù)，調(diào)制的信號經(jīng)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(fù)用開關(guān)(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(shè)備接收部分相似，從另一個藍牙設(shè)備發(fā)射來的GFSK信號也是由天線接收的。在這期間，開關(guān)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(diào)并恢復(fù)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(shù)，該技術(shù)原來是為軍事應(yīng)用開發(fā)的，因為軍事應(yīng)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(yīng)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(fù)，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(diào)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(diào)制技術(shù)對載波頻率進行調(diào)制。

GFSK調(diào)制

GFSK是一項調(diào)制技術(shù)，它在一個比特持續(xù)時間內(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來表示。

FSK信號調(diào)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(diào)制器，其β=0.28，通常要讓輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)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(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(guān)系用Eb/No表示，即每個比特的功率噪聲比。可通過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(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最小誤碼率，藍牙技術(shù)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(yīng)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(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(shè)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(diào)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。[!--empirenews.page--]

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(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(shè)置條件，收發(fā)器設(shè)置為測試-20dB帶寬參數(shù)，采用藍牙設(shè)備的電源供電，PLL/VCO利用所要求的數(shù)字模式在上述藍牙信道(2.4～2.5GHz)進行編碼，當設(shè)備在該信道編碼完成后，將有一個預(yù)先規(guī)定的等待時間以便將VCO設(shè)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(diào)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(yù)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(nèi)調(diào)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(shè)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(diào)制信號。同頻干擾、相鄰頻道干擾和內(nèi)調(diào)制測試設(shè)置等需要用到使用雙音RF合成器的額外RF調(diào)制源。

為了給靈敏度測試生成調(diào)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(diào)制器以隨機位流進行調(diào)制，IF調(diào)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(shè)備上。

被測設(shè)備對調(diào)制的RF信號進行解調(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(chǎn)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(jīng)濟的方法就是在非常短的時間內(nèi)完成各種測試，自動測試設(shè)備(ATE)是提供經(jīng)濟測試方案的最佳選擇。測試儀器必須具備高質(zhì)量前端設(shè)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(shè)置時間應(yīng)比被測設(shè)備的更短，數(shù)字子系統(tǒng)則必須先進以適應(yīng)混合信號RF設(shè)備嚴格的數(shù)字性能要求。另外測試儀器還應(yīng)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。