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測試與測量  

藍芽收發器IC測試

上網時間: 2002年11月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:Bluetooth  藍芽  transceiver  收發器  transmitter 

藍芽規範的第一個正式版本1.0版已於1999年7月發佈,之後許多廠商都推出了支援藍芽產品的高性價比積體電路晶片。隨著藍芽產品越來越普及,製造商需要以較低的成本完成大量測試工作。本文針對藍芽射頻前端收發器,著重介紹藍芽技術規範中定義的各類測試參數。

今天的電子工程師幾乎沒有人沒聽說過‘藍芽’的概念,這個詞出自公元10世紀丹麥國王Harald Blaatand,他為了聯繫他的臣民曾在挪威和丹麥建立了一個通訊系統。開發藍芽技術是為了使個人數位助理(PDA)、行動電話週邊及其它行動計算設備不必使用昂貴的專用線纜就可以進行通訊,正因為此,藍芽又被稱作‘個人區域網路路(PAN)’。對藍芽產品來說,最基本的要求是低價格、高可靠性、低能耗和有限工作範圍。圖1:藍芽技術原理框圖。

最初藍芽定義為採用全球適用的2.4GHz ISM頻段進行短距離通訊(10至15米),不過最近晶片製造商的不斷提高使藍芽技術遠遠超出當初的設計水準,一些OEM製造商希望能在20到30米辦公室環境和100米開放環境下使用藍芽技術,他們期待將藍芽作為網路連接技術,使筆記本電腦用戶透過無線接入點進入到區域網路中。

藍芽技術由4個主要部份組成,分別是應用軟體、藍芽堆疊、硬體和天線,本文針對硬體和射頻前端收發器,重點介紹藍芽技術規範中定義的各類測試參數。

藍芽收發器

對整合RF收發器的測試要求可以典型的RF藍芽原理框圖(圖1)來說明。

◆藍芽發射器
藍芽無線信號採用高斯頻移鍵控(GFSK)方式調變,發射數據(Tx)透過高斯濾波器濾波後,用濾波器的輸出對VCO頻率進行調變。根據串列輸入數據流邏輯電平,VCO頻率會從其中心頻率向正負兩端偏離,偏移量決定了發射器的調變指數,調變的信號經放大後由天線發射出去。

藍芽無線信號在半雙工模式下工作,用一個RF多路再使用開關(位於天線前)將天線連接到發射或接收模式。

◆藍芽接收器
與設備接收部份相似,從另一個藍芽設備發射來的GFSK信號也是由天線接收的。在這期間,開關與低噪音放大器(LNA)相連,對接收到的信號(Rx)進行放大。下一級混頻器將接收信號下變換到IF頻率(一般為幾MHz),進行該步驟時用於發射的PLL/VCO部份作為接收器下變頻本機振盪器使用,將IF信號解調並恢復出數據。

擴展頻譜圖2:用原始數據對載波進行調變並使用與每個鏈路端點跳頻代碼一致的頻率範圍發射時將使用FHSS系統。

藍芽無線通訊的一個獨特之處就是它使用了擴頻技術,該技術原來是為軍事應用開發的,因為軍事應用中無線數據傳送必須安全可靠。傳統意義上的窄頻應用要消耗更多功率,在一個頻率上停留的時間很長,因此頻譜很容易被檢測到;而將發射器功率分配(擴展)到更大的頻寬上之後,此時信號看起來更像隨機噪音,這相當於犧牲頻寬效率來換取可靠性和安全性。由於功率密度較低,這些系統對其它信號接收器干擾小,而且即便存在信號丟失頻段,數據也可以在其它頻率恢復,從而增強了對干擾和噪音的抵抗能力。兩種最主要的擴頻形式是跳頻(FHSS)和直接序列(DSSS),用原始數據對載波進行調變並使用與每個鏈路端點跳頻代碼一致的頻率範圍發射時(圖2)使用FHSS系統。採用這種方式後,由於某個頻率干擾而丟失的數據可以透過另一個頻率發射,FHSS中的擴展代碼產生器直接用GFSK調變技術對載波頻率進行調變。

GFSK調變

GFSK是一項調變技術,它在一個位元持續時間內由數據線性修改載波周期部份載波頻率,頻率變換速率是數據率的函數,頻率變換大小是數據幅值的函數,它們之間的相互關係以調變指數β來表示。

FSK信號調變指數β由下面公式計算:


β=2Δf/fi


此處fi是以赫茲表示的數據頻率(對藍芽來說典型值為1MHz),Δf是載波的頻偏。

如果選擇140kHz作為藍芽載波頻偏,那麼:


β=2Δf/fi=280kHz/1MHz=0.28且


FFSK=Acos(2πfc(t)+0.28π∫m(t)dt)


這?A是數位數據的振幅,m(t)是持續一個位元時間且直流電平為±1的數位數據。

可以用靈敏度為140kHz/V的壓控振盪器作為FSK調變器,其β=0.28,通常要讓輸入數據流透過限制器以確保電路頻差為140kHz。

載波頻偏(發射模式)取決於輸入數據流的振幅,反過來也一樣成立,解調後載波的數據振幅是載波偏差(接收模式)的函數,這一點對系統誤碼率(BER)是很重要的。

BER是每個發射位元相對於每位元所包含噪音功率的函數,它們之間關係用Eb/No表示,即每個位元的功率噪音比。可透過減少接收器噪音或提高發射功率來改善Eb/No,也可提高每個發射位元的功率改善Eb/No。提高載波頻偏能增加每個發射位元的功率,從而提高Eb/No並降低位元出錯率;但其負面影響是提高頻偏會導致增加頻寬,降低系統的信道數量。

有效的通訊要求有一個最小誤碼率,藍芽技術指標規定為在72dBm時BER為0.1%,即每1,000位元的數據流中有1個錯誤。一致性規範要求測得的靈敏度(作為BER)在三個頻率上超過160萬位元,由於該項測試使用標準單隙(DH1)數據包進行,至少需要25秒,所以為節約時間,實際應用中即使頻率數量減少,也只測量較少位元數。

藍芽收發器測試規範圖3:7個連續時間間隔使用DH1、DH2和DH5包的包時序協議的情況。

藍芽標準對RF載波調變數據要求規定如下:


•調變方式: 高斯頻移鍵控(GFSK)


•高斯濾波器: 0.5


•輸出功率: 0dBm和+20dBm


•數據速率: 1Mb/s


•信道頻寬: 1MHz


•頻偏(Δf): 140kHz∼175kHz(調變指數0.28∼0.35)


•誤碼率(BER)靈敏度:0.1% @ -72dBm

藍芽定義將1mW或0dBm作為標稱系統,發射功率峰值不超過20dBm,這樣設計是為了進行短程作業且不會干擾其它無線系統,在1MHz頻寬(載波間隔為1MHz)使用高斯過濾頻移鍵控(GFSK)調變。美國和歐洲(法國與西班牙除外)有79個1MHz信道,法國、西班牙和日本在2.4GHz範圍僅有23個1MHz信道。

圖3顯示了7個連續時間間隔使用DH1、DH2和DH5包的包時序協議,由於發射和接收包長度都相同,所以DH1有一個對稱鏈接,收發器在偶數時間間隔發射數據而在奇數時間間隔接收數據。DH3使用3個時間間隔,DH5用5個,DH3和DH5包的有效載荷比較長,由於協議的開銷是固定的(存取編碼+報頭),所以可提供更高數據流量。

對於發射器來說,以下是一些比較重要的測試參數:


•調變載波功率


•-20dB頻寬


•載波頻率容差


•發射器頻率偏移


•調變指數


•發射器設置時間


•發射器鄰信道泄漏功率圖4:收發器處於發射模式時的典型測試設置條件。

圖4是收發器處於發射模式時的典型測試設置條件,收發器設置為測試-20dB頻寬參數,採用藍芽設備的電源供電,PLL/VCO利用所要求的數位模式在上述藍芽信道(2.4∼2.5GHz)進行編碼,當設備在該信道編碼完成後,將有一個預先規定的等待時間以便將VCO設置到編碼載波頻率。

然後把PLL放入開環中,這樣就可進行調變並將偽隨機位序列(PRBS)數據提供給Tx數據引腳。用一個RF埠將RF接收器連接到藍芽發射器天線上,在數位模式一段預定義時間之後,RF接收器將被觸發開始接收發射信號,並對微波接收器收到的數位採樣執行快速傅立葉變換。對於被擷取的信號,則在GFSK信號兩邊搜索載波頻率和頻率部份的功率,即從編碼載波頻率中減去20dB,然後計算出頻寬。

和發射部份類似,一些比較重要的接收測試參數包括:


•接收器靈敏度


•同頻干擾


•相鄰頻道干擾


•內調變


•最大輸入電平

在測試接收器靈敏度參數時,圖4也用於對收發器進行設置(接收模式)。干擾信號測試的參數與靈敏度測試類似,但前者還含有干擾調變信號。同頻干擾、相鄰頻道干擾和內調變測試設置等需要用到使用雙音RF合成器的額外RF調變源。

為了給靈敏度測試產生調變載波,需要建立一個PRBS數據流並存在測試程式陣列中。IF載波採用數學GFSK調變器以隨機位流進行調變,IF調變信號來自VHF波形產生器,並由RF源上變頻成Rx測試頻率,然後將該信號透過RF埠接到被測設備上。

被測設備對調變的RF信號進行解調並將位流送到Rx數據引腳,再用數位採樣儀器收集,把收集到的數據與原始PRBS數據比較,在調變時使用並計算出誤碼率(BER),接收器靈敏度測試將測量不同輸入功率的BER。

隨著藍芽IC產量的不斷增大,測試可能會成為製造過程中非常耗費成本的一個流程,能滿足要求且最經濟的方法就是在非常短的時間內完成各種測試,自動測試設備(ATE)是提供經濟測試方案的最佳選擇。測試儀器必須具備高品質前端設計並具有足夠的靈活性以滿足各種測試要求,測試儀的RF信號源設置時間應比被測設備的更短,數位子系統則必須先進以適應混合信號RF設備嚴格的數位性能要求。另外測試儀器還應有高速、高解析度DSP元件,以便從藍芽元件和功能強大的DSP引擎獲取信號,滿足每次測試的處理需求。

作者:Nelson Lee T K


測試技術主管


ST Assembly Test Services Ltd.




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