藍牙測試模式實現(xiàn)及其物理層觀測

測試模式簡介

---藍牙(bluetooth)的測試模式支持藍牙的收發(fā)測試，主要用于驗證與配合射頻和基帶層的測試，也可用于常規(guī)性認證和生產(chǎn)售后的測試。在測試模式下的器件不一定支持普通的操作。出于安全考慮，測試模式設(shè)計成不會對用戶提供任何服務(wù)。因此，不允許在軟硬件接口上有任何數(shù)據(jù)的輸入和輸出。

---測試模式的目的在于通過檢測其空中接口的參數(shù)，如頻率精確性、時間精確性、調(diào)制參數(shù)和傳輸頻段的帶寬等來證明射頻和鏈路控制層(lc)是否處于正常工作狀態(tài)，任何藍牙器件都可以工作在測試模式。在測試模式下，待測模塊sut(suit under test)處于非常規(guī)運行狀態(tài)，最明顯的區(qū)別就是不同于普通的79跳頻通信，器件用固定的頻段傳輸數(shù)據(jù)。由于跟蹤分析儀器不需要跳頻跟蹤信號，這就使得測量更為便捷。

建立測試模式所需硬件

---(1)采用rohde&schwarz公司生產(chǎn)的r&sptw60型藍牙協(xié)議測試儀，在測試模式中為主模塊(master)。該儀器具有專業(yè)和綜合的藍牙測試功能，是用于開發(fā)和鑒定測試的理想儀器。由于配備有編程界面，它同樣適合開發(fā)全新的協(xié)議。
---(2)alps藍牙模塊做為待測模塊，在測試模式中為從屬模塊(slave)，由hamgeg三相電壓源供電。
---(3)lecroy數(shù)字四通道示波器，用于顯示跟蹤信號。
---(4)頻譜分析儀rohde&schwarz fsh3，用于顯示信號的功率分布。
---(5)裝有ftp-client、totalcommander和c++編輯器jcreator等軟件的pc，用于瀏覽、修改、下載以及上傳測試模式各種方案所需要的程序。

測試模式的建立

---使藍牙器件工作于測試模式通常有以下幾步：
---(1)通過呼叫建立測試儀器(協(xié)議分析儀)的鏈路控制層(lc)和待測模塊的鏈路控制層(lc)的連接。
---(2)測試儀器(協(xié)議分析儀)的鏈路管理層(lm)和待測模塊的鏈路管理層(lm)建立連接。
---(3)待測模塊自身進入測試模式。
---(4)激活測試模式。這意味著測試和待測雙方的鏈路控制(lc)已經(jīng)準(zhǔn)備好接收測試控制信息。激活待測模式是通過主模塊送出一個鏈路管理(lm)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元pdu(protocol data unite)enable_test_activate給待測模塊。當(dāng)待測模塊接收到此數(shù)據(jù)包即把自身的鏈路控制層設(shè)置為測試模式。另一方面，當(dāng)測試儀器的測試程序送出此協(xié)議數(shù)據(jù)單元后，它將測試儀器的鏈路控制層(lc)也設(shè)置為測試模式。
---(5)切換到需要的測試方案。在激活測試模式后，測試和待測雙方都準(zhǔn)備好接收使得它們工作于非正常狀態(tài)的命令，例如，改變雙方的通信模式，使得發(fā)送接收都工作于同一個固定頻率而非跳頻。為此，程序?qū)⑾虼郎y模塊的鏈路管理層(lm)送出鏈路管理(lm)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(pdu)lmp_test_control，這將迫使待測模塊的鏈路控制層(lc)工作于被查詢模式。在送出此信息后，程序同樣改變測試儀器的鏈路控制層，使其工作于測試模式。
---以上建立步驟和命令都可以通過測試儀r&sptw60的人機界面讀取，并且可以單步執(zhí)行程序，觀察各層的執(zhí)行結(jié)果。其中，步驟4和5均由測試儀器通過空中接口遠程控制，為了避免附近其他藍牙設(shè)備也被設(shè)定為測試模式，待測模塊會收到來自hic(host controller interface，主控制器接口)的指令enable_device_under_test_model，沒有這一指令，藍牙模塊拒絕任何測試指令。

發(fā)送測試

---此測試模式較為簡單直觀。在此模式下藍牙模塊傳送帶有固定的比特凈荷，同時還周期性的傳送用于微微網(wǎng)(piconet)從模塊tx定時校正的數(shù)據(jù)包，這里的微微網(wǎng)由測試儀和待測模塊組成，每次傳送的測試包是相同的。

---當(dāng)主模塊送出第一個檢測包(poll)，發(fā)送測試就開始了，此檢測包使用的是非跳頻模式下被允許的頻率段。測試儀在tx時隙傳送控制命令或檢測包，待測模塊在此后的從時隙開始幀傳送。主器件的呼叫時間間隔是在之前定義并且是固定的。即使待測模塊沒有收到來自測試儀的數(shù)據(jù)包，它還是會根據(jù)正常定時來發(fā)送其數(shù)據(jù)幀。圖2顯示了發(fā)送測試主從模塊時間配合情況，圖中顯示，幀長度可能會超過一個時隙數(shù)據(jù)包的長度。在這個情況下，測試儀就把下一個空閑的主tx時隙用于呼叫。

發(fā)送測試建立后就可以測試需要的相關(guān)參數(shù)了，比如輸出功率、功率密度、多時隙靈敏度等等，這里只討論波形圖和功率分布。

---數(shù)據(jù)包理論結(jié)構(gòu)和試驗結(jié)果分析

---測試模式下的數(shù)據(jù)包即標(biāo)準(zhǔn)的藍牙數(shù)據(jù)包。在配置時，測試儀(master)定義兩項參數(shù)：要用的數(shù)據(jù)包種類和載荷的長度。載荷長度需要符合并受限于基帶規(guī)范，在基帶規(guī)范中所定義的acl數(shù)據(jù)包載荷的結(jié)構(gòu)也是保留的。

---在發(fā)送測試模式中，只能使用不帶fec糾錯的數(shù)據(jù)包格式，如hv3、dh1、dh3、dh5以及aux1等包格式，用這些格式可以支持到最長的數(shù)據(jù)包。在此模式中，在測試儀和待測模塊之間交換的數(shù)據(jù)包沒有加入白噪序列。在待測模塊進入測試模式時，此功能即被禁止，在退出測試模式時又啟用。

--- 藍牙規(guī)范中物理層(基帶)數(shù)據(jù)包格式

---這里給出協(xié)議規(guī)范格式，以便和之后的試驗結(jié)果做一下比較。[]中是bit長度。

---標(biāo)準(zhǔn)藍牙數(shù)據(jù)包格式由72bit的驗證碼、54bit的信息頭和0～2745bit的載荷組成。

---驗證碼(assess code)，用于同步，dc補償和驗證，其格式如下。其中，報頭(preamble)由固定4bit組成，便于dc補償；同步碼(sync word)由64bit組成，用于定時同步；尾碼(trailer)由固定的4bit組成，同樣用于dc補償。

preamble/ sync word/ trailer

[4] /[64] /[4]
---信息頭格式(header)包含鏈路控制信號，格式如下。其中，am_addr是3bit長的活動成員地址，0信息都用于廣播消息，最多7個；type是數(shù)據(jù)包種類代碼，共有16種；flow是1bit的流量控制；arqn是1bit的確認碼，表示數(shù)據(jù)包的成功傳送；seqn是1bit的序列碼，確保數(shù)據(jù)包的前后次序；hec是8bit的前向糾錯碼，確保信息頭的正確性。

am-addr/ type/ flow/ arqn/ seqn/ hec

[3] /[4] /[1] /[1] /[1] /[8]
載荷(payload)用于攜帶語音信息或上層數(shù)據(jù)信息。
--- 還需要說明的一點，本試驗選擇了兩種不同的bit樣本作為載荷，分別是交替的01(0101010...)和4位交替的10(111100001111...)。選這兩種載荷樣本的原因是，由于藍牙的基帶和射頻層選用了高斯最小頻移鍵控(gmsk)，最大幅度節(jié)省了帶寬，但同時引入了碼間干擾(isi)。也就是說，在解調(diào)出的碼序列波形中，連續(xù)出現(xiàn)0或者1，會使得其頻率偏移不斷累積增大。在接收時如果增益超出接收機范圍即會引起誤碼，這一現(xiàn)象可以在試驗中直觀地觀察到。

--- 試驗所得波形分析

---以下的3幅圖是在測試模式下用lecroy數(shù)字四通道示波器記錄下來的，在此將它們與理論數(shù)據(jù)包格式做簡單比較。

---在載荷為1111和0000交替出現(xiàn)的數(shù)據(jù)包時，信號占用帶寬和時間的關(guān)系如圖3所示。比較標(biāo)準(zhǔn)包格式可以找出驗證碼，信息頭以及載荷。由于信息頭包含有重要信息，所以使用了1/3frc，即每一個信息位連續(xù)重復(fù)發(fā)送3遍，這樣由每一bit占約1μs(有效數(shù)據(jù)速率為721kb/s)，可推得信息頭中每信息位占用3μs。由這個特點，可以讀出此例中信息頭中的前三位am_addr為111，即7號從模塊。之后的4位type碼也可讀出為0010，之后的三位依次為flow、arqn和seqn，其中正常情況下seqn是不斷跳變的。占用的帶寬也可讀出，約為-150khz～+150khz。

---在載荷為01交替出現(xiàn)的數(shù)據(jù)包時，信號占用帶寬和時間的關(guān)系如圖4所示。其結(jié)構(gòu)大體和圖3類似，圖中標(biāo)出9μs處為信息頭起始點，此例中的從模塊的am_addr為101。有明顯不同之處，即在載荷部分。由于是01交替出現(xiàn)，相比上例的1111與0000交替出現(xiàn)碼間干擾明顯減少，頻率占用的峰值減小(圖中密集的小鋸齒部分)，約為-75hz～+75hz。

藍牙數(shù)據(jù)包的能量分布如圖所示。在藍牙的射頻部分使用了跳頻技術(shù)，在ism頻段內(nèi)，劃分了79個頻率通道，每通道帶寬為1mhz。在實際藍牙通信中，頻率是均勻分布在這79個頻率通道中的，它們起于2.402ghz,終于2.480ghz。這種跳頻技術(shù)有效遏制了頻率選擇性干擾和衰減對通信的影響。由于測試模式工作于非跳頻模式，由圖可看出，其能量是均勻分布于一個固定頻率段的。由圖可知，中心頻率是2.452ghz，所使用的是第50號頻率通道。

結(jié)論
---本文介紹了藍牙模塊的測試模式，提出了一種具體的測試方法并對測試結(jié)果進行了評價。這方面的研究將有助于對藍牙技術(shù)的進一步了解、推廣和應(yīng)用。