藍牙射頻技術及其測試項目[多圖]

　　藍牙設備工作于ISM頻段，通過高斯頻移鍵控(GFSK)數(shù)字頻率調(diào)制技術實現(xiàn)彼此間的通信，設備間采用時分復用(TDD)方式，并使用一種極快的跳頻方案以便在擁擠波段中提高鏈路可靠性。對藍牙設備來說，RF部分是主要測試內(nèi)容之一。

　　藍牙射頻設計采用了多種系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，既有傳統(tǒng)模擬調(diào)制基于中頻的系統(tǒng)，也有基于數(shù)字IQ調(diào)制器/解調(diào)器配置的系統(tǒng)，但無論采用哪種設計配置，在產(chǎn)品開發(fā)過程中都必須解決下面的問題：

　　·全球各地法規(guī)要求

　　·藍牙認證

　　·簡單高效制造測試

　　·與其它廠商產(chǎn)品的良好兼容性

　　藍牙射頻技術

　　藍牙設備工作于ISM頻段，通常是在2.402GHz至2.48GHz之間的79個信道上運行。它使用稱為0.5BT高斯頻移鍵控(GFSK)的數(shù)字頻率調(diào)制技術實現(xiàn)彼此間的通信。也就是說把載波上移157kHz代表“1”，下移157kHz代表“0”，速率為100萬符號(或比特)/秒，然后用“0.5”將數(shù)據(jù)濾波器的-3dB帶寬設定在500kHz，這樣可以限制射頻占用的頻譜。

　　兩個設備間通過時分復用(TDD)方式通信，發(fā)送器和接收器在相隔時段中交替?zhèn)魉停匆粋€挨著另一個傳送，此外還采用了一種極快的跳頻方案(1,600跳/秒)，以便在擁擠波段中提高鏈路可靠性。美國聯(lián)邦通信委員會預計波段利用率將不斷增加，因此可靠性是最基本的要求。

　　在圖1所示的藍牙結(jié)構(gòu)中，接收器僅采用一次下轉(zhuǎn)換，這類設計使用一個簡單的本地振蕩器，輸出經(jīng)過倍頻，并在接收器和發(fā)送器間切換。FSK允許直接VCO調(diào)制，基帶數(shù)據(jù)通過一個固定時間延遲且無過沖高斯濾波器，而脈沖整形僅用于發(fā)送器中，鎖相環(huán)(PLL)可用采樣-保持電路或相位調(diào)制器解除基帶內(nèi)的相位調(diào)制。通常中頻相當高，以限制濾波器元件的物理尺寸，使中頻遠離LO頻率，確保足夠的鏡像抑制。如果電平過高造成接收器輸入過載，則應使用天線開關。

　　測試項目

　　下面介紹一些適用于藍牙設備RF部分的測試。

　　功率──輸出放大器是一個選件，有這種選件無疑可提升I類(+20dBm)輸出放大器的輸出功率。雖然對電平精度指標不作要求，但應避免過大的功率輸出，以免造成不必要的電池耗電。

　　無論設計提供的功率是+20dBm還是更低，接收器都需要有接收信號強度指示，RSSI信息允許不同功率設備間互相聯(lián)系，這類設計中的功率斜率可由控制放大器的偏置電流實現(xiàn)。

　　與其它TDMA系統(tǒng)如DECT或GSM不同，藍牙頻譜測試并不限于單獨的功率控制和調(diào)制誤差測試，它的測量間隔時間必須足夠長，以采集到斜率和調(diào)制造成的影響。在實際中這不會影響認證，時間選通測量由于能迅速確定缺陷，具有很高的價值。有些設計在調(diào)制開始前使用未經(jīng)指定的周期，這通常用于接收器的準備。

　　頻率誤差──藍牙規(guī)范中所有頻率測量選取較短的4微秒或10微秒選通周期，這樣會造成測量結(jié)果的不定性，可從不同的角度進行理解。首先，窄的時間開口意味著測量帶寬截止頻率較高，會把各類噪聲引入測量；其次應考慮誤差機制，如在短間隔測量中，來自測量設備的量化噪聲或振蕩器邊帶噪聲將占較大百分比，而較長測量間隔中這些噪聲影響會被平均掉。因此設計范圍要考慮這一因素，它應超過參考晶振產(chǎn)生的靜態(tài)誤差。

　　頻率漂移──漂移測量將短的10位相鄰數(shù)據(jù)組和跨越脈沖的較長漂移結(jié)果結(jié)合在一起。如果在發(fā)送器設計中用了采樣-保持設計，就可能出現(xiàn)這一誤差。對其它類型設計，在波形圖上可觀察到像紋波一樣的有害4kHz至100kHz調(diào)制成分或噪聲，表明了它可作為另一個方法確保很好地將電源去耦合。

　　調(diào)制──在發(fā)送路徑中，圖1中的VCO被直接調(diào)制，為避免PLL剝離帶寬內(nèi)調(diào)制成分，可讓傳輸器件開路或使用相位誤差校正(兩點調(diào)制)。采樣-保持技術應該是有效的，但需注意避免頻率漂移。除非使用數(shù)字技術調(diào)整合成器的分頻比，否則應校準相位調(diào)制器，以免出現(xiàn)不同數(shù)據(jù)碼型調(diào)制的響應平坦度低的問題。

　　藍牙RF規(guī)范要檢查11110000和10101010兩種不同碼型的峰值頻率偏移，]GMSK調(diào)制濾波器的輸出在2.5bit后達到最大值，第一個碼可檢查這一點，GMSK濾波器的截止點和形狀則由第二個碼檢查。在理想情況下，1010碼峰值偏移為11110000的88%，某些設計的發(fā)送未施加0.5BT高斯濾波而會顯示更高比值。最高基本調(diào)制頻率為500kHz，此時的比特率為100萬符號/秒。

　　帶內(nèi)頻譜──-20dB測試可確認調(diào)制和脈沖信號的確在1MHz寬的波段中，圖2的方框可以看作是極限范圍，通過設置10kHz分辨率帶寬可實現(xiàn)這一要求，因幅值具有脈沖特性而使用峰值保持法進行測量。通過頻率寬度測試而不僅只是固定模板測試，該方法能使波形偏離精確的中心頻率，效果與信號模板內(nèi)對中非常類似，圖中隆起部分由數(shù)據(jù)包報頭的非數(shù)據(jù)白化零造成。

　　鄰近信道測量作為系列點頻測量中的一項是規(guī)定要做的，非選通掃描是快速容易的檢查方法。選通有時仍被使用，盡管它是一種組合測量，這與GSM、DECT和PDC之類其它TDMA系統(tǒng)測量有所不同。

　　帶外頻譜──倍頻是通常用來防止RF通過耦合返回VCO從而拉動中心頻率的一項技術，需要在RF輸出路徑中消除次級諧波，特別當它們可能危及相關站點時，如L2頻率為1,222.7MHz的GPS接收器或蜂窩無線設備功能。

　　圖3顯示了設備的一個信號，它不存在次級諧波，但會產(chǎn)生超過9GHz的諧波，這正是標準頻譜分析儀能進行的測量。對于研究工作來說，雖然可使用更快的掃描時間，但仍要好幾秒。如果選擇長掃描時間，則需要用具有深數(shù)據(jù)捕獲緩沖器的新型頻譜分析儀，這類儀器能對特定感興趣的點作掃描后的放大。

　　有些設計轉(zhuǎn)而在發(fā)送和接收路徑都有IQ混頻，這種方法可提高電路集成度，將信號處理轉(zhuǎn)成數(shù)字信號處理，而去除模擬電路。圖4顯示了一些混合電路方法，某些設計可在前端增添鏡像抑制混合，目前硅片技術更高的集成度也使這種做法更為經(jīng)濟。

　　所有這些的IQ級校準都需要仔細考慮，已發(fā)表很多關于雷達和蜂窩應用的技術文章介紹了所使用的序列和信號。RF輸出直接應用IQ調(diào)制可能會對信號造成重大影響，但調(diào)制器未對準頻率誤差則不會造成影響，因為頻率僅僅是相位改變率，不過也許難以在頻譜上鑒別出誤差。

　　IQ調(diào)制誤差意味著存在幅度調(diào)制，可用功率-時間顯示進行檢測，或用矢量分析儀做詳細調(diào)查。 IQ調(diào)制器也可用來整形功率斜坡，這再次說明了選通測量的價值。在接收鏈所有測量進行之前，還有些數(shù)字處理需要測量誤碼。另外可能出現(xiàn)零中頻系統(tǒng)，可由查找接收器混頻器輸出和ADC輸入之間的DC塊識別。像LO-RF反饋這類非理想情況會產(chǎn)生隨輸入頻率改變的直流成分，需要認真予以處理。另外邊帶抑制也是一個問題，這里有個速算公式，即0.1dB增益誤差或1度相位誤差將使邊帶降低約40dB。

　　分析IQ波形──矢量分析儀本身就能解調(diào)各種各樣信號，盡管直接應用FSK也許不能涵蓋更復雜的情況，但在IQ設計過程中可能要考慮其它制式，如藍牙2、蜂窩技術或LAN。

　　為了解設備的性能，具備多角度分析能力十分重要，圖5顯示了以四種方法觀察相同數(shù)據(jù)的結(jié)果。偏差觀察為正確碼型調(diào)制提供快速直觀確認，眼圖和FSK誤差可顯示調(diào)制質(zhì)量，而解調(diào)數(shù)據(jù)觀察則使用戶能檢查前同步碼、報頭、同步字和有效載荷數(shù)據(jù)的存在。

　　設計模擬──更高級的集成關注于模擬工具，這些工具不僅能迅速評估不同電路的拓撲結(jié)構(gòu)，更有先進的工具把各種有效和受損信號注入接收器。

　　最近有兩種非常有利于產(chǎn)品開發(fā)的進展，第一是數(shù)字信號發(fā)生器和矢量信號分析塊的集成，它提供了模擬和實際測試間的相互交換，軟件產(chǎn)品與物理儀器鏈接能在原型交付時立即比較結(jié)果。第二是可以使工具設置自動化的設計指南，讓用戶能更好地用設計軟件評估實際電路，而不必在基本配置信息中根據(jù)特定無線技術編寫程序。

　　接收器測試──圖1中的鑒別器是一個混頻器/調(diào)諧電路，它是一個直通器件，但也需要進行校準。在設計特性描述過程中，一定要注意某些結(jié)果的非正態(tài)(高斯)分布。

　　由于調(diào)諧電路/混頻器的相位/頻率特性，這種電路的價值是很有限的。延遲線鑒別器是另一種可能的選擇，但也需要經(jīng)過校準。

　　前端放大器設計和測試關注的是干擾，而不是最好的噪聲系數(shù)，或1dB壓縮特性。已公開的很多技術能通過接收器鏈動態(tài)改變增益，優(yōu)化對有害信號的抑制。也可對信號發(fā)生器使用同步脈沖幅度調(diào)制，這種測試對AGC系統(tǒng)特別是當系統(tǒng)由軟件控制時的脈沖間響應很有用。

　　測試接收器跳頻──如前所述，所有藍牙設計中都會采用的元件是簡單的本地振蕩器，其邊帶效應會在全部調(diào)諧范圍造成小于300微秒的時滯，當設備工作于藍牙測試模式時也必然產(chǎn)生這一效應。

　　在發(fā)送期間，必須在ISM頻段的接收測試頻率或以其它任意點為中心的另一端選擇一個頻率，VCO每次都使轉(zhuǎn)換跳回到接收器頻率。每一脈沖都可用于數(shù)據(jù)傳輸，因此可使用連續(xù)序列，從而在使用跳頻源時無需進行跳頻BER測試。雖然可以這樣做，但在使用鏈路信號之前用戶必須安排好對信號發(fā)生器和被測設備的同時控制。一旦比特轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式就可進行BER測試，表1列出了幾種可行的測試方法。

　　作者：Peter Cain

　　無線方案規(guī)劃師

　　安捷倫技術公司

　　Email: peter_cain@agilent.com