藍(lán)牙測(cè)試模式實(shí)現(xiàn)及其物理層觀(guān)測(cè)(圖)

測(cè)試模式簡(jiǎn)介
---藍(lán)牙(Bluetooth)的測(cè)試模式支持藍(lán)牙的收發(fā)測(cè)試，主要用于驗(yàn)證與配合射頻和基帶層的測(cè)試，也可用于常規(guī)性認(rèn)證和生產(chǎn)售后的測(cè)試。在測(cè)試模式下的器件不一定支持普通的操作。出于安全考慮，測(cè)試模式設(shè)計(jì)成不會(huì)對(duì)用戶(hù)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(cè)試模式的目的在于通過(guò)檢測(cè)其空中接口的參數(shù)，如頻率精確性、時(shí)間精確性、調(diào)制參數(shù)和傳輸頻段的帶寬等來(lái)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(lán)牙器件都可以工作在測(cè)試模式。在測(cè)試模式下，待測(cè)模塊SUT(suit under test)處于非常規(guī)運(yùn)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(hào)，這就使得測(cè)量更為便捷。

建立測(cè)試模式所需硬件
 ---(1)采用Rohde&Schwarz公司生產(chǎn)的R&SPTW60型藍(lán)牙協(xié)議測(cè)試儀，在測(cè)試模式中為主模塊(master)。該儀器具有專(zhuān)業(yè)和綜合的藍(lán)牙測(cè)試功能，是用于開(kāi)發(fā)和鑒定測(cè)試的理想儀器。由于配備有編程界面，它同樣適合開(kāi)發(fā)全新的協(xié)議。
---(2)ALPS藍(lán)牙模塊做為待測(cè)模塊，在測(cè)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(hào)。
---(4)頻譜分析儀Rohde&Schwarz FSH3，用于顯示信號(hào)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(cè)試模式各種方案所需要的程序。
---圖1是測(cè)試模式中各模塊連接框圖。

測(cè)試模式的建立
---使藍(lán)牙器件工作于測(cè)試模式通常有以下幾步：
---(1)通過(guò)呼叫建立測(cè)試儀器(協(xié)議分析儀)的鏈路控制層(LC)和待測(cè)模塊的鏈路控制層(LC)的連接。
---(2)測(cè)試儀器(協(xié)議分析儀)的鏈路管理層(LM)和待測(cè)模塊的鏈路管理層(LM)建立連接。
---(3)待測(cè)模塊自身進(jìn)入測(cè)試模式。
---(4)激活測(cè)試模式。這意味著測(cè)試和待測(cè)雙方的鏈路控制(LC)已經(jīng)準(zhǔn)備好接收測(cè)試控制信息。激活待測(cè)模式是通過(guò)主模塊送出一個(gè)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(cè)模塊。當(dāng)待測(cè)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(cè)試模式。另一方面，當(dāng)測(cè)試儀器的測(cè)試程序送出此協(xié)議數(shù)據(jù)單元后，它將測(cè)試儀器的鏈路控制層(LC)也設(shè)置為測(cè)試模式。
---(5)切換到需要的測(cè)試方案。在激活測(cè)試模式后，測(cè)試和待測(cè)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(gè)固定頻率而非跳頻。為此，程序?qū)⑾虼郎y(cè)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(cè)模塊的鏈路控制層(LC)工作于被查詢(xún)模式。在送出此信息后，程序同樣改變測(cè)試儀器的鏈路控制層，使其工作于測(cè)試模式。
---以上建立步驟和命令都可以通過(guò)測(cè)試儀R&SPTW60的人機(jī)界面讀取，并且可以單步執(zhí)行程序，觀(guān)察各層的執(zhí)行結(jié)果。其中，步驟4和5均由測(cè)試儀器通過(guò)空中接口遠(yuǎn)程控制，為了避免附近其他藍(lán)牙設(shè)備也被設(shè)定為測(cè)試模式，待測(cè)模塊會(huì)收到來(lái)自HIC(Host Controller Interface，主控制器接口)的指令Enable_Device_Under_Test_Model，沒(méi)有這一指令，藍(lán)牙模塊拒絕任何測(cè)試指令。

發(fā)送測(cè)試
 ---此測(cè)試模式較為簡(jiǎn)單直觀(guān)。在此模式下藍(lán)牙模塊傳送帶有固定的比特凈荷，同時(shí)還周期性的傳送用于微微網(wǎng)(piconet)從模塊TX定時(shí)校正的數(shù)據(jù)包，這里的微微網(wǎng)由測(cè)試儀和待測(cè)模塊組成，每次傳送的測(cè)試包是相同的。
---當(dāng)主模塊送出第一個(gè)檢測(cè)包(POLL)，發(fā)送測(cè)試就開(kāi)始了，此檢測(cè)包使用的是非跳頻模式下被允許的頻率段。測(cè)試儀在TX時(shí)隙傳送控制命令或檢測(cè)包，待測(cè)模塊在此后的從時(shí)隙開(kāi)始幀傳送。主器件的呼叫時(shí)間間隔是在之前定義并且是固定的。即使待測(cè)模塊沒(méi)有收到來(lái)自測(cè)試儀的數(shù)據(jù)包，它還是會(huì)根據(jù)正常定時(shí)來(lái)發(fā)送其數(shù)據(jù)幀。圖2顯示了發(fā)送測(cè)試主從模塊時(shí)間配合情況，圖中顯示，幀長(zhǎng)度可能會(huì)超過(guò)一個(gè)時(shí)隙數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度。在這個(gè)情況下，測(cè)試儀就把下一個(gè)空閑的主TX時(shí)隙用于呼叫。

---發(fā)送測(cè)試建立后就可以測(cè)試需要的相關(guān)參數(shù)了，比如輸出功率、功率密度、多時(shí)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(yàn)結(jié)果分析
---測(cè)試模式下的數(shù)據(jù)包即標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包。在配置時(shí)，測(cè)試儀(master)定義兩項(xiàng)參數(shù)：要用的數(shù)據(jù)包種類(lèi)和載荷的長(zhǎng)度。載荷長(zhǎng)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(cè)試模式中，只能使用不帶FEC糾錯(cuò)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(zhǎng)的數(shù)據(jù)包。在此模式中，在測(cè)試儀和待測(cè)模塊之間交換的數(shù)據(jù)包沒(méi)有加入白噪序列。在待測(cè)模塊進(jìn)入測(cè)試模式時(shí)，此功能即被禁止，在退出測(cè)試模式時(shí)又啟用。
---● 藍(lán)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(yàn)結(jié)果做一下比較。[]中是bit長(zhǎng)度。
---標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)包格式由72bit的驗(yàn)證碼、54bit的信息頭和0～2745bit的載荷組成。
---驗(yàn)證碼(Assess Code)，用于同步，DC補(bǔ)償和驗(yàn)證，其格式如下。其中，報(bào)頭(Preamble)由固定4bit組成，便于DC補(bǔ)償；同步碼(Sync word)由64bit組成，用于定時(shí)同步；尾碼(Trailer)由固定的4bit組成，同樣用于DC補(bǔ)償。

Preamble/ Sync word/ Trailer

[4]          /[64]           /[4]
---信息頭格式(Header)包含鏈路控制信號(hào)，格式如下。其中，AM_ADDR是3bit長(zhǎng)的活動(dòng)成員地址，0信息都用于廣播消息，最多7個(gè)；TYPE是數(shù)據(jù)包種類(lèi)代碼，共有16種；FLOW是1bit的流量控制；ARQN是1bit的確認(rèn)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(cuò)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(yǔ)音信息或上層數(shù)據(jù)信息。
--- 還需要說(shuō)明的一點(diǎn)，本試驗(yàn)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(lán)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(shí)引入了碼間干擾(ISI)。也就是說(shuō)，在解調(diào)出的碼序列波形中，連續(xù)出現(xiàn)0或者1，會(huì)使得其頻率偏移不斷累積增大。在接收時(shí)如果增益超出接收機(jī)范圍即會(huì)引起誤碼，這一現(xiàn)象可以在試驗(yàn)中直觀(guān)地觀(guān)察到。
---● 試驗(yàn)所得波形分析
---以下的3幅圖是在測(cè)試模式下用LeCroy數(shù)字四通道示波器記錄下來(lái)的，在此將它們與理論數(shù)據(jù)包格式做簡(jiǎn)單比較。
---在載荷為1111和0000交替出現(xiàn)的數(shù)據(jù)包時(shí)，信號(hào)占用帶寬和時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。比較標(biāo)準(zhǔn)包格式可以找出驗(yàn)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(gè)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(gè)特點(diǎn)，可以讀出此例中信息頭中的前三位AM_ADDR為111，即7號(hào)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(shí)，信號(hào)占用帶寬和時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。其結(jié)構(gòu)大體和圖3類(lèi)似，圖中標(biāo)出9μs處為信息頭起始點(diǎn)，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(lán)牙數(shù)據(jù)包的能量分布如圖5所示。在藍(lán)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(gè)頻率通道，每通道帶寬為1MHz。在實(shí)際藍(lán)牙通信中，頻率是均勻分布在這79個(gè)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(duì)通信的影響。由于測(cè)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(gè)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(hào)頻率通道。

結(jié)論
---本文介紹了藍(lán)牙模塊的測(cè)試模式，提出了一種具體的測(cè)試方法并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。這方面的研究將有助于對(duì)藍(lán)牙技術(shù)的進(jìn)一步了解、推廣和應(yīng)用。