藍牙射頻技術及其測試項目
來源:與非網
摘要: 藍牙設備工作于ISM頻段,,通過高斯頻移鍵控(GFSK)數字頻率調制技術實現彼此間的通信,,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部分是主要測試內容之一,。
Abstract:
Key words :
藍牙設備工作于ISM頻段,通過高斯頻移鍵控(GFSK)數字頻率調制技術實現彼此間的通信,,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部分是主要測試內容之一,。
藍牙射頻設計采用了多種系統(tǒng)體系結構,既有傳統(tǒng)模擬調制基于中頻的系統(tǒng),,也有基于數字IQ調制器/解調器配置的系統(tǒng),,但無論采用哪種設計配置,在產品開發(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)的數字頻率調制技術實現彼此間的通信。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”將數據濾波器的-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?,即一個挨著另一個傳送,,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所示的藍牙結構中,接收器僅采用一次下轉換,,這類設計使用一個簡單的本地振蕩器,,輸出經過倍頻,,并在接收器和發(fā)送器間切換,。FSK允許直接VCO調制,基帶數據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-保持電路或相位調制器解除基帶內的相位調制。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,。
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,。有些設計在調制開始前使用未經指定的周期,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生的靜態(tài)誤差。
頻率漂移──漂移測量將短的10位相鄰數據組和跨越脈沖的較長漂移結果結合在一起,。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。
調制──在發(fā)送路徑中,,圖1中的VCO被直接調制,,為避免PLL剝離帶寬內調制成分,可讓傳輸器件開路或使用相位誤差校正(兩點調制),。采樣-保持技術應該是有效的,,但需注意避免頻率漂移。除非使用數字技術調整合成器的分頻比,,否則應校準相位調制器,,以免出現不同數據碼型調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,。最高基本調制頻率為500kHz,,此時的比特率為100萬符號/ 秒。
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,。
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,。有些設計在調制開始前使用未經指定的周期,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生的靜態(tài)誤差。
頻率漂移──漂移測量將短的10位相鄰數據組和跨越脈沖的較長漂移結果結合在一起,。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。
調制──在發(fā)送路徑中,,圖1中的VCO被直接調制,,為避免PLL剝離帶寬內調制成分,可讓傳輸器件開路或使用相位誤差校正(兩點調制),。采樣-保持技術應該是有效的,,但需注意避免頻率漂移。除非使用數字技術調整合成器的分頻比,,否則應校準相位調制器,,以免出現不同數據碼型調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,。最高基本調制頻率為500kHz,,此時的比特率為100萬符號/ 秒。
帶內頻譜──-20dB測試可確認調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,,效果與信號模板內對中非常類似,圖中隆起部分由數據包報頭的非數據白化零造成,。
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,。
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,,則需要用具有深數據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,將信號處理轉成數字信號處理,,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濟,。
有些設計轉而在發(fā)送和接收路徑都有IQ混頻,,這種方法可提高電路集成度,將信號處理轉成數字信號處理,,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調制可能會對信號造成重大影響,,但調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調制誤差意味著存在幅度調制,可用功率-時間顯示進行檢測,,或用矢量分析儀做詳細調查,。
IQ調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,,還有些數字處理需要測量誤碼,。另外可能出現零中頻系統(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,。
IQ調制誤差意味著存在幅度調制,可用功率-時間顯示進行檢測,,或用矢量分析儀做詳細調查,。
IQ調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,,還有些數字處理需要測量誤碼,。另外可能出現零中頻系統(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據的結果,。偏差觀察為正確碼型調制提供快速直觀確認,眼圖和FSK誤差可顯示調制質量,,而解調數據觀察則使用戶能檢查前同步碼,、報頭、同步字和有效載荷數據的存在,。
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構,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品開發(fā)的進展,,第一是數字信號發(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,,軟件產品與物理儀器鏈接能在原型交付時立即比較結果,。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,一定要注意某些結果的非正態(tài)(高斯)分布。
由于調諧電路/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,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每次都使轉換跳回到接收器頻率。每一脈沖都可用于數據傳輸,,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。一旦比特轉換成數字格式就可進行BER測試,,表1列出了幾種可行的測試方法,。
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