藍牙測試模式實現及其物理層觀測(圖)

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，測試模式設計成不會對用戶提供任何服務。因此，不允許在軟硬件接口上有任何數據的輸入和輸出。
---測試模式的目的在于通過檢測其空中接口的參數，如頻率精確性、時間精確性、調制參數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據。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。
---圖1是測試模式中各模塊連接框圖。

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)已經準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)議數據單元PDU(protocol data unite)Enable_test_activate給待測模塊。當待測模塊接收到此數據包即把自身的鏈路控制層設置為測試模式。另一方面，當測試儀器的測試程序送出此協(xié)議數據單元后，它將測試儀器的鏈路控制層(LC)也設置為測試模式。
---(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，程序將向待測模塊的鏈路管理層(LM)送出鏈路管理(LM)協(xié)議數據單元(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備也被設定為測試模式，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(piconet)從模塊TX定時校正的數據包，這里的微微網由測試儀和待測模塊組成，每次傳送的測試包是相同的。
---當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據包，它還是會根據正常定時來發(fā)送其數據幀。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據包的長度。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參數了，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。
---數據包理論結構和試驗結果分析
---測試模式下的數據包即標準的藍牙數據包。在配置時，測試儀(master)定義兩項參數：要用的數據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數據包載荷的結構也是保留的。
---在發(fā)送測試模式中，只能使用不帶FEC糾錯的數據包格式，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據包。在此模式中，在測試儀和待測模塊之間交換的數據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)數據包格式
---這里給出協(xié)議規(guī)范格式，以便和之后的試驗結果做一下比較。[]中是bit長度。
---標準藍牙數據包格式由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是數據包種類代碼，共有16種；FLOW是1bit的流量控制；ARQN是1bit的確認碼，表示數據包的成功傳送；SEQN是1bit的序列碼，確保數據包的前后次序；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據信息。
--- 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，在解調出的碼序列波形中，連續(xù)出現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數字四通道示波器記錄下來的，在此將它們與理論數據包格式做簡單比較。
---在載荷為1111和0000交替出現的數據包時，信號占用帶寬和時間的關系如圖3所示。比較標準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)重復發(fā)送3遍，這樣由每一bit占約1μs(有效數據速率為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交替出現的數據包時，信號占用帶寬和時間的關系如圖4所示。其結構大體和圖3類似，圖中標出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，相比上例的1111與0000交替出現碼間干擾明顯減少，頻率占用的峰值減小(圖中密集的小鋸齒部分)，約為-75Hz～+75Hz。

---藍牙數據包的能量分布如圖5所示。在藍牙的射頻部分使用了跳頻技術，在ISM頻段內，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果進行了評價。這方面的研究將有助于對藍牙技術的進一步了解、推廣和應用。