R&S藍牙低功耗測試解決方案

甘秉鴻　羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

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羅德與施瓦茨技術專欄

R&S藍牙低功耗測試解決方案

甘秉鴻羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

編者按：經過近10年移動通信、電子技術的高速發展，藍牙技術已經廣泛應用于電信業、計算機業、家電業、醫療、汽車電子等領域，給我們的生活帶來巨大的便利。羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司甘秉鴻所撰《R&S藍牙低功耗測試解決方案》一文介紹了藍牙低功耗技術的特點及物理層特性，然后從技術認證的測試需求著手，介紹了羅德與施瓦茨公司對其物理層測試的整體解決方案。自4.0核心規范發布近6年來，低功耗產品的產業化進度也發展迅速，目前已經有多家芯片廠商的產品通過了SIG論壇認證，產品的市場化也已大規模發展，此技術將會有廣闊的發展前景。隨著無線技術的進一步發展，此項技術仍然會不斷更新，不斷完善。

摘要：介紹了藍牙低功耗技術的特點及物理層特性，然后從技術認證的測試需求著手，介紹了羅德與施瓦茨公司對其物理層測試的整體解決方案。

關鍵詞：低功耗；BLE；ISM

1　藍牙技術簡介

藍牙（Bluetooth）是一種短距離的無線通訊技術，最初是研究在移動電話和其它配件間進行低功耗、低成本無線通信連接的方法。發明者希望為設備間的通訊創造一組統一的標準化協議，以解決用戶間互不兼容的移動電子設備的互聯互通，這些設備之間省去了傳統的電線。透過芯片上的無線接收器，配有此技術的電子設備能夠在短距離內彼此相通，傳輸速度可以達到1Mbit/s。和當時流行的紅外線技術相比，它有著更高的傳輸速度，而且不需要像紅外線那樣進行接口對接口的連接，所有設備基本上只要在有效通訊范圍內使用，就可以進行隨時連接。

當1.0版本推出后，并未立即受到廣泛的應用，除了當時對應功能的電子設備種類少，藍牙裝置也十分昂貴。2001年的1.1版正式列入IEEE標準，1.1版本即為IEEE802.15.1。幾年之后，采用此技術的電子裝置就像雨后春筍般增加，售價也大幅回落。為了擴寬藍牙的應用層面和傳輸速度，技術聯盟SIG先后推出了1.2、2.0版以及其它附加新功能。例如，增強型速率EDR（EnhancedDataRate），配合2.0版本的技術標準，將最大傳輸速度提高到3Mbit/s。3.0版本在適配層協議應用了Wi-Fi技術，即可在需要的時候調用802.11Wi-Fi用于實現高速數據傳輸，數據傳輸率提高到了大約24Mbit/s。而最新推出的4.0版本在電池時間、節能和設備種類上，以及有效傳輸距離上均有所提升。4.0規范的核心技術是低功耗技術（LowEnergy），該技術的最大特點是擁有超低的運行功耗和待機功耗，配備此功能的設備使用一粒紐扣電池甚至可以連續工作數年之久。

2　藍牙低功耗技術

2.1省電原理

設備耗電幾乎是傳統藍牙設備的1/10，其主要改變體現在待機功耗的減少、高速連接的實現和峰值功率的降低3個方面。

（1）待機功耗的減少

傳統設備的待機耗電量大一直是為人所詬病的缺陷之一，這與傳統技術動輒采用16～32個頻道進行廣播不無關系，而4.0版本僅使用了3個廣播通道，且每次廣播時射頻的開啟時間也由傳統的22.5ms減少到0.6～1.2ms，這兩個協議規范上的改變顯然大大降低了因為廣播數據導致的待機功耗。此外，還設計了用深度睡眠狀態來替換傳統的空閑狀態，在深度睡眠狀態下，主機長時間處于超低的負載循環狀態，只在需要運作時由控制器來啟動，這樣的設計同樣可以降低因為控制器工作所導致的功率消耗。

（2）高速連接的實現

按照傳統藍牙的協議規范，若某一設備正在進行廣播，則它不會響應當前正在進行的設備掃描，而低功耗協議規范允許正在進行廣播的設備連接到正在掃描的設備上，這就有效避免了重復掃描，而通過對連接機制的改善，設備連接建立過程可控制在3ms內完成，同時能以應用程序迅速啟動鏈接器，并以數毫秒的傳輸速度完成經認可的數據傳遞后并立即關閉連結，而傳統協議下即使只是建立鏈路層連接都需要花費100ms，建立邏輯鏈路控制與適應協議層的連接建立時間則更長。

（3）峰值功率的降低

標準藍牙使用的數據包長度更長，在發送這些較長數據包時，無線設備必須在相對較高的功耗狀態下保持更長時間，從而容易使硅片發熱。這種發熱將改變材料的物理特性，進而改變傳輸頻率，因此需要對無線設備進行頻繁的校準。再次校準將消耗更多的功率，并且還將采取閉環結構。相反，藍牙低功耗對數據包的長度進行了更加嚴格的定義，支持超短（8～27Byte）數據包，這能使硅片保持在低溫狀態下，因此藍牙低功耗不需要進行再次校準和采用閉環結構。

2.2物理層特性

采用時分雙工TDD工作方式，主設備在偶數時隙上發射，從設備在奇數時隙上發射，網內部的話音和數據比特通過數據包發射。一個數據包包括一個接入碼、一個包頭和一個有效載荷段，其中接入碼包括前導序列、同步字和可選的字尾；包頭包含網地址和數據包信息；其物理層特性包括頻率、功率、物理層、數據單元和調制特性。

（1）工作頻率

系統工作于2.4GHzISM頻段：2400～2483.5MHz，采用40個射頻信道，這些射頻信道的中心頻率按2402+k×2MHz（k=0，…，39）規則運行。

（2）發射功率

系統的輸出功率大概在-20（0.01mW）～10dBm （10mW）。

（3）物理層結構

BLE系統用于廣播信道和數據信道的數據連接層，只有一個數據包格式（見圖1），每個數據包包含4個域：前導、地址訪問、數據PDU及CRC校驗。從物理層數據格式可以看出，數據包最短80bit，最長376bit。

圖1　物理層結構

（4）數據信道單元PDU

數據信道單元PDU有16位長的頭文件，凈荷可變，也可能包括了信息完整性檢測域MIC，具體參見圖2。

圖2　數據信道單元PDU

（5）調制特性

藍牙低功耗采用了調制指數為0.5的GFSK調制，即GMSK調制，頻率偏移為250kHz，符號速率達1Mbit/s。

3　藍牙低功耗BLE認證測試

具備此功能的產品都需要經過SIG論壇的認證，否則將被視為侵權行為。產品的認證，可以充分保證產品與核心規范的一致性及產品間的互操作性，是產業化中最重要的一個環節。

認證測試包括發射測試和接收測試，與傳統設備的射頻測試規范相比，低功耗簡化了該部分的測試，包括極限條件在內的全部測試內容只有14個，射頻測試項目如表1所示。

表1　射頻測試項目

其中，極限條件指的是高低溫和高低壓。

4　藍牙低功耗測試解決方案

基于對物理層特性的理解，根據測試規范，羅德與施瓦茨公司提供了一套完善的測試解決方案，克服了藍牙的測試挑戰。

4.1發射機測試

使用FSW/FSV可以輕松完成GFSK調制信號的分析，包括射頻指標測試和調制質量分析，具體測試平臺參見圖3。

（1）輸出功率

圖3　測試框圖

輸出功率的測試是在時域進行，設置頻譜儀為時域模式，掃描時間必須覆蓋一個完整的數據包。另外，由于是一突發信號，需要使用觸發才能看到整個信號，采用功率觸發或者外觸發，可以得到其信號的輸出功率，具體參見圖4。

圖4　輸出功率測試結果

（2）帶內雜散

該測試可以幫助減小整個信道的干擾，根據測試規范的要求，此處的帶內雜散即為鄰近信道功率測量ACLR。通過分析頻域的信號電平，確保整個信道滿足規范要求，具體參見圖5。

（3）調制特性和載波頻率偏移

對調制質量的測試，要求分析儀對其信號進行解調，以得到IQ性能和每個符號的頻率偏移、解調測試，包括了調制特性和載波頻率偏移。

矢量信號分析儀除了可以對其信號進行復雜的調制質量測試，還能量化和跟蹤產生信號問題的根源，如發射機干擾引起的互調、電源噪聲的疊加及載波頻率漂移帶來的影響。

圖5　鄰道功率測試結果

從解調結果來看，不僅可以得到調制誤差和載波頻率誤差，同時還可以得到FSK的頻偏、幅度誤差、功率以及星座圖和解調數據（見圖6）。

圖6　調制特性和載波頻率偏移測試結果

4.2接收機測試

羅德與施瓦茨公司的矢量信號源都可配置Bluetooth功能，包括了基本速率和增強速率及低功耗兩種不同模式，通過選擇低功耗模式，調整相關參數，如數據包類型和數據包長等參數，即可產生用于接收機測試的藍牙低功耗信號，具體設置參見圖7。

（1）接收靈敏度和最大輸入信號電平測試

靈敏度測試是為了檢測設備在最小最大輸入電平的條件下，是否可以正常工作。測試過程中，要求信號源能提供滿足設備要求的最小最大輸出電平，直至設備的誤碼率BER或誤包率PER在規范要求的范圍以內。

（2）載干比C/I性能測試

載干比C/I性能測試是指在發生有用信號的同時，在相鄰信道同時發射干擾信號，然后測試產品的誤碼率BER或誤包率PER（見圖8）。測試儀表需要一個發射正常工作的主信號，同時需要提供一個可生成干擾源，在此指標的測試上，具備多種方法，一是可以使用雙通道矢量信號源SMW；二是可以使用兩臺矢量信號源完成。

（3）阻塞性能測試

阻塞性能測試類似于載干比性能測試，唯一不同的地方在于，阻塞性能測試要求在主信號旁邊加一連續波CW信號干擾，并且連續波干擾信號的頻率需要從30MHz～12.75GHz。因此，需要一臺微波源，測試平臺如圖9所示。

（4）互調測試

互調性能測試是指兩個信號或多個信號同時作用在設備上，考察他們的互調成分對設備接收的影響（見圖10）。測試過程中，需要提供3個信號，即正常工作的信號、連續波信號、帶調制的干擾信號。

（5）誤包率測試

圖7　信號源測試模式

圖8　載干比C/I性能測試

圖9　阻塞性能測試

圖10　互調性能測試

誤包率的測試是用來評估接收機的基本性能，通過比較發送的有效數據包和收到的有效數據包，計算得到誤包率PER。因此，有兩種方法可行：

●設備本身具備誤包率PER統計功能：只需要提供配置藍牙功能的矢量信號源即可完成。

●設備本身不具備誤包率PER統計功能：需要一種具備誤包率PER測試功能的儀表，例如綜測儀CMW500或CBT就能完成此項指標測試。

5　藍牙低功耗BLE配置方案

羅德與施瓦茨公司提供了一系列的儀器以滿足這種設備的各種測試需求，本文將對此測試儀器，包括接收和發射測試進行簡單介紹，具體配置參考見表2。

6　結束語

經過近10年移動通信、電子技術的高速發展，藍牙技術已經廣泛應用于電信業、計算機業、家電業、醫療、汽車電子等領域，對我們的生活帶來巨大的便利。自4.0核心規范發布近6年來，低功耗產品的產業化進度也發展迅速，目前已經有多家芯片廠商的產品通過了SIG論壇認證，產品的市場化也已大規模發展，此技術將會有廣闊的發展前景。隨著無線技術的進一步發展，此項技術仍然會不斷更新，不斷完善。

參考文獻

［1］Bluetooth Low Energy RF PHYTestSpecification.

［2］VectorSignalGeneratorR&SSMW200ASpecifications.

［3］VectorSignalGeneratorR&SSMBV100ASpecifications.

［4］VectorSignalGeneratorR&SSGT100ASpecifications.

［5］SpectrumAnalyzerR&SFSW-K70Specifications.

［6］SpectrumAnalyzerR&SFSV-K70Specifications.

表2　配置參考