Bluetooth RF測(cè)試－正確的無線電設(shè)計(jì)測(cè)試

現(xiàn)今的Bluetooth無線電設(shè)計(jì)採(cǎi)用了一些系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從使用類比調(diào)變的傳統(tǒng)IF系統(tǒng)，到數(shù)位IQ調(diào)變器/解調(diào)器配置不等。不論設(shè)計(jì)的配置為何，在開發(fā)產(chǎn)品的過程中都必須設(shè)法解決下列幾個(gè)問題：

? 全球的法規(guī)需求
? Bluetooth技術(shù)認(rèn)證
? 簡(jiǎn)單、高良率的制造與測(cè)試
? 與其他廠商的設(shè)計(jì)達(dá)到完美的相互操作性，他們的設(shè)計(jì)當(dāng)中有些可能僅勉強(qiáng)符合Bluetooth規(guī)格而已

在以下的篇幅中，我們將檢視設(shè)計(jì)的一些不同特性、研發(fā)測(cè)試的意涵、以及可讓開發(fā)工作變得更容易的工具。接著，我們會(huì)說明如何執(zhí)行這些量測(cè)，并討論可預(yù)期的一些量測(cè)價(jià)值。

Bluetooth RF技術(shù) – 概要

Bluetooth裝置會(huì)在2.402到2.48 GHz的ISM頻帶內(nèi)操作，通常是在79個(gè)通道上。它們利用一種名為0.5BT GFSK（高斯移頻鍵控）的數(shù)位調(diào)頻技術(shù)來互相進(jìn)行通訊。這表示載波會(huì)以每秒100萬個(gè)符號(hào)（或位元）的速率上移157 kHz，以代表 ’1’，或下移以代表 ’0’。’0.5’ 將–3 dB的資料濾波器頻寬限定為500 kHz，藉此為佔(zhàn)用的RF頻譜設(shè)下限制。

兩個(gè)裝置間的通訊屬于分時(shí)雙工（TDD），意思是發(fā)射器和接收器依次在不同的時(shí)槽交替進(jìn)行傳輸。此外，還使用高達(dá)1600 hops/s的超快跳頻模式，來提高可能顯得擁擠的頻帶內(nèi)的鏈路之可靠度。如果最近的U.S. FCC規(guī)定預(yù)期頻帶的用量幾乎確定會(huì)增加，那么可靠度就很重要了。
　

圖1. Bluetooth RF功率波封與VCO頻率時(shí)序

圖1顯示在625μs的時(shí)槽中，傳送和接收一個(gè)366μsDH1封包的可能時(shí)序。在下方軌跡可以看到安定時(shí)間間隔。在這個(gè)間隔中，裝置必須跳至下一個(gè)通道頻率，而電壓控制振盪器（VCO）必須及時(shí)安定，以便發(fā)射或接收封包資料。請(qǐng)注意，封包的開頭與RF叢發(fā)的上升緣并沒有直接的相關(guān)，這可以從代表可能的替代上升緣之虛線看出來。叢發(fā)的上升緣也與時(shí)槽的開頭無關(guān)。

所有的封包資料都傳送出去之后，設(shè)計(jì)可能會(huì)立刻降低功率，或等到接近時(shí)槽末端才降低功率。
　

圖2. 直接調(diào)頻的VCO，類比鑑頻器

圖2所示的Bluetooth范例中的接收器佈局只使用一個(gè)下轉(zhuǎn)換。（灰色方塊是不同設(shè)計(jì)中省略或交換零件的部份）。像這樣的設(shè)計(jì)只會(huì)使用一個(gè)本地振盪器。輸出的頻率會(huì)提高一倍，而且會(huì)在接收與發(fā)射功能間切換。使用FSK可以對(duì)VCO進(jìn)行簡(jiǎn)單的直接調(diào)變?；l資料會(huì)通過高斯濾波器，并在固定的時(shí)序延遲及沒有過擊的情況下進(jìn)行特性分析。脈波僅應(yīng)用于發(fā)射器。使用sample-and-hold電路或相位調(diào)變器，可以防止鎖相迴路（PLL）去除頻寬內(nèi)的相位調(diào)變。中頻通常會(huì)非常高，故可限制濾波器元件的實(shí)體大小，并確保IF頻率距離LO頻率夠遠(yuǎn)，以達(dá)到滿意的影像斥拒。

當(dāng)位準(zhǔn)夠高而能過載接收器的輸入時(shí)，可以使用天線交換。

功率–T- 輸出放大器是一個(gè)選項(xiàng)，使用它可以提高Class 1（+20 dBm）輸出版本所需的功率。位準(zhǔn)準(zhǔn)確度的規(guī)格并不嚴(yán)苛，但必須小心避免產(chǎn)生過多的功率輸出，并確保電池不會(huì)發(fā)生非必要的消耗。

不論設(shè)計(jì)提供+20 dBm或較小的值，接收器都必須準(zhǔn)備好提供接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)（RSSI）資訊，以使不同功率等級(jí)的裝置可以相互操作。設(shè)計(jì)中像這樣的功率上下變換現(xiàn)象，可以藉由控制放大器的偏壓電流輕易地達(dá)到。

有別于DECT或GSM等TDMA系統(tǒng)，Bluetooth頻譜測(cè)試并不會(huì)被閘控，以區(qū)隔功率控制和調(diào)變錯(cuò)誤。量測(cè)間隔必須夠長(zhǎng)，才能擷取上下變換與調(diào)變所造成的效應(yīng)。實(shí)際上，這可能不會(huì)造成認(rèn)證問題，但時(shí)閘量測(cè)可能會(huì)因?yàn)榫邆溲杆僬页鲨Υ玫哪芰Χ兊梅浅Ｖ匾?BR>
如圖3所示，有一些設(shè)計(jì)會(huì)在調(diào)變開始之前，利用非指定的週期來準(zhǔn)備接收器。在此范例中，既不會(huì)發(fā)射1，也不會(huì)發(fā)射0。

圖3. 在FM前所應(yīng)用的功率

頻率錯(cuò)誤 – Bluetooth規(guī)格中的所有頻率量測(cè)，都有賴于4μs或10μs的短閘週期，這會(huì)造成結(jié)果的差異，我們可以透過幾種方式來理解。第一，較窄的時(shí)窗代表量測(cè)頻寬的截止頻率較高，因此會(huì)在量測(cè)中包含各種雜訊結(jié)構(gòu)。第二種方法是考慮錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)，例如量測(cè)裝置的量化錯(cuò)誤或振盪器旁帶雜訊，它們?cè)诙踢L期中產(chǎn)生的比例會(huì)高過于較長(zhǎng)的量測(cè)間隔，因?yàn)樵诤笠环N情況中，這些錯(cuò)誤往往會(huì)被平均掉。除了晶體參考所造成的靜態(tài)錯(cuò)誤之外，在設(shè)計(jì)限制中還必須考慮到這項(xiàng)事實(shí)。

頻率漂移 – 漂移量測(cè)將短期、10位元的相鄰資料組，與長(zhǎng)期的跨叢發(fā)漂移結(jié)果結(jié)合在一起。如果在發(fā)射器中使用sample-and-hold設(shè)計(jì)，則此設(shè)計(jì)所造成的錯(cuò)誤可能會(huì)很明顯。在其他的設(shè)計(jì)中，從4到100 kHz的多余調(diào)變成份或雜訊，可以視同圖形中的漣波。這證實(shí)是確認(rèn)電源供應(yīng)器已經(jīng)充分去耦的另一種方法。

調(diào)變 – 在發(fā)射器路徑中，圖2所示的VCO採(cǎi)直接調(diào)變的方式。為避免PLL去除頻寬內(nèi)的調(diào)變成份，可以在傳輸時(shí)將它開啟，或使用相位錯(cuò)誤更正（兩點(diǎn)調(diào)變）。sample-and-hold技術(shù)可能是有效的，但必須注意避免頻率漂移。除非使用數(shù)位技術(shù)來調(diào)整合成器的除頻比，否則就應(yīng)校驗(yàn)相位調(diào)變器，以避免不同資料碼型的調(diào)變響應(yīng)缺乏平坦度。圖4顯示用于認(rèn)證測(cè)試的典型調(diào)變模式。

圖4a 4b. 用于認(rèn)證測(cè)試的調(diào)變模式

Bluetooth RF規(guī)格會(huì)檢查11110000和10101010兩個(gè)不同碼型的峰值頻率差異。GMSK調(diào)變?yōu)V波器的輸出在2.5個(gè)位元之后達(dá)到最大，第一個(gè)碼型會(huì)檢查這一部份。GMSK濾波器的截止點(diǎn)和形狀，可利用第二個(gè)碼型來檢查。

理想上，1010碼型的峰值差異為11110000的88%，雖然有些設(shè)計(jì)因?yàn)樵诎l(fā)射時(shí)未使用0.5BT的高斯濾波而顯示較高的比值。最高的基本調(diào)變頻率是500 kHz，即使位元傳輸率為1 Msymbol/s。圖4中左邊圖形的淺灰色軌跡，顯示I/Q不平衡狀態(tài)的效應(yīng)。當(dāng)擁有圖7所示的方塊圖之系統(tǒng)未經(jīng)完整校驗(yàn)時(shí)，便可能發(fā)生此種情形。