Bluetooth RF测试－正确的无线电设计测试

现今的Bluetooth无线电设计採用了一些系统结构，从使用类比调变的传统IF系统，到数位IQ调变器/解调器配置不等。不论设计的配置为何，在开发产品的过程中都必须设法解决下列几个问题：

• 全球的法规需求
• Bluetooth技术认证
• 简单、高良率的制造与测试
• 与其他厂商的设计达到完美的相互操作性，他们的设计当中有些可能仅勉强符合Bluetooth规格而已

在以下的篇幅中，我们将检视设计的一些不同特性、研发测试的意涵、以及可让开发工作变得更容易的工具。接着，我们会说明如何执行这些量测，并讨论可预期的一些量测价值。

Bluetooth RF技术 – 概要

Bluetooth装置会在2.402到2.48 GHz的ISM频带内操作，通常是在79个通道上。它们利用一种名为0.5BT GFSK（高斯移频键控）的数位调频技术来互相进行通讯。这表示载波会以每秒100万个符号（或位元）的速率上移157 kHz，以代表 ’1’，或下移以代表 ’0’。’0.5’ 将–3 dB的资料滤波器频宽限定为500 kHz，藉此为佔用的RF频谱设下限制。

两个装置间的通讯属于分时双工（TDD），意思是发射器和接收器依次在不同的时槽交替进行传输。此外，还使用高达1600 hops/s的超快跳频模式，来提高可能显得拥挤的频带内的链路之可靠度。如果最近的U.S. FCC规定预期频带的用量几乎确定会增加，那么可靠度就很重要了。
　

图1. Bluetooth RF功率波封与VCO频率时序

图1显示在625µs的时槽中，传送和接收一个366µsDH1封包的可能时序。在下方轨迹可以看到安定时间间隔。在这个间隔中，装置必须跳至下一个通道频率，而电压控制振盪器（VCO）必须及时安定，以便发射或接收封包资料。请注意，封包的开头与RF丛发的上升缘并没有直接的相关，这可以从代表可能的替代上升缘之虚线看出来。丛发的上升缘也与时槽的开头无关。

所有的封包资料都传送出去之后，设计可能会立刻降低功率，或等到接近时槽末端才降低功率。
　

图2. 直接调频的VCO，类比鑑频器

图2所示的Bluetooth范例中的接收器佈局只使用一个下转换。（灰色方块是不同设计中省略或交换零件的部份）。像这样的设计只会使用一个本地振盪器。输出的频率会提高一倍，而且会在接收与发射功能间切换。使用FSK可以对VCO进行简单的直接调变。基频资料会通过高斯滤波器，并在固定的时序延迟及没有过击的情况下进行特性分析。脉波仅应用于发射器。使用sample-and-hold电路或相位调变器，可以防止锁相迴路（PLL）去除频宽内的相位调变。中频通常会非常高，故可限制滤波器元件的实体大小，并确保IF频率距离LO频率够远，以达到满意的影像斥拒。

当位准够高而能过载接收器的输入时，可以使用天线交换。

功率–T- 输出放大器是一个选项，使用它可以提高Class 1（+20 dBm）输出版本所需的功率。位准准确度的规格并不严苛，但必须小心避免产生过多的功率输出，并确保电池不会发生非必要的消耗。

不论设计提供+20 dBm或较小的值，接收器都必须准备好提供接收信号强度指标（RSSI）资讯，以使不同功率等级的装置可以相互操作。设计中像这样的功率上下变换现象，可以藉由控制放大器的偏压电流轻易地达到。

有别于DECT或GSM等TDMA系统，Bluetooth频谱测试并不会被闸控，以区隔功率控制和调变错误。量测间隔必须够长，才能撷取上下变换与调变所造成的效应。实际上，这可能不会造成认证问题，但时闸量测可能会因为具备迅速找出瑕疵的能力而变得非常重要。

如图3所示，有一些设计会在调变开始之前，利用非指定的週期来准备接收器。在此范例中，既不会发射1，也不会发射0。

图3. 在FM前所应用的功率

频率错误 – Bluetooth规格中的所有频率量测，都有赖于4µs或10µs的短闸週期，这会造成结果的差异，我们可以透过几种方式来理解。第一，较窄的时窗代表量测频宽的截止频率较高，因此会在量测中包含各种杂讯结构。第二种方法是考虑错误结构，例如量测装置的量化错误或振盪器旁带杂讯，它们在短週期中产生的比例会高过于较长的量测间隔，因为在后一种情况中，这些错误往往会被平均掉。除了晶体参考所造成的静态错误之外，在设计限制中还必须考虑到这项事实。

频率漂移 – 漂移量测将短期、10位元的相邻资料组，与长期的跨丛发漂移结果结合在一起。如果在发射器中使用sample-and-hold设计，则此设计所造成的错误可能会很明显。在其他的设计中，从4到100 kHz的多余调变成份或杂讯，可以视同图形中的涟波。这证实是确认电源供应器已经充分去耦的另一种方法。

调变 – 在发射器路径中，图2所示的VCO採直接调变的方式。为避免PLL去除频宽内的调变成份，可以在传输时将它开启，或使用相位错误更正（两点调变）。sample-and-hold技术可能是有效的，但必须注意避免频率漂移。除非使用数位技术来调整合成器的除频比，否则就应校验相位调变器，以避免不同资料码型的调变响应缺乏平坦度。图4显示用于认证测试的典型调变模式。

图4a & 4b. 用于认证测试的调变模式

Bluetooth RF规格会检查11110000和10101010两个不同码型的峰值频率差异。GMSK调变滤波器的输出在2.5个位元之后达到最大，第一个码型会检查这一部份。GMSK滤波器的截止点和形状，可利用第二个码型来检查。

理想上，1010码型的峰值差异为11110000的88%，虽然有些设计因为在发射时未使用0.5BT的高斯滤波而显示较高的比值。最高的基本调变频率是500 kHz，即使位元传输率为1 Msymbol/s。图4中左边图形的浅灰色轨迹，显示I/Q不平衡状态的效应。当拥有图7所示的方块图之系统未经完整校验时，便可能发生此种情形。