現(xiàn)今的Bluetooth無線電設(shè)計?裼昧艘恍┫低辰峁梗?郵褂美啾鵲鞅淶拇??F系統(tǒng)，到數(shù)位IQ調(diào)變器/解調(diào)器配置不等。不論設(shè)計的配置為何，在開發(fā)產(chǎn)品的過程中都必須設(shè)法解決下列幾個問題：
• 全球的法規(guī)需求
• Bluetooth技術(shù)認證
• 簡單、高良率的制造與測試
• 與其他廠商的設(shè)計達到完美的相互操作性，他們的設(shè)計當中有些可能僅勉強符合Bluetooth規(guī)格而已
在以下的篇幅中，我們將檢視設(shè)計的一些不同特性、研發(fā)測試的意涵、以及可讓開發(fā)工作變得更容易的工具。接著，我們會說明如何執(zhí)行這些量測，并討論可預(yù)期的一些量測價值。
Bluetooth RF技術(shù) – 概要
Bluetooth裝置會在2.402到2.48 GHz的ISM頻帶內(nèi)操作，通常是在79個通道上。它們利用一種名為0.5BT GFSK（高斯移頻鍵控）的數(shù)位調(diào)頻技術(shù)來互相進行通訊。這表示載波會以每秒100萬個符號（或位元）的速率上移157 kHz，以代表 ’1’，或下移以代表 ’0’。’0.5’ 將–3 dB的資料濾波器頻寬限定為500 kHz，藉此為?子玫?F頻譜設(shè)下限制。
兩個裝置間的通訊屬于分時雙工（TDD），意思是發(fā)射器和接收器依次在不同的時槽交替進行傳輸。此外，還使用高達1600 hops/s的超快跳頻模式，來提高可能顯得擁擠的頻帶內(nèi)的鏈路之可靠度。如果最近的U.S. FCC規(guī)定預(yù)期頻帶的用量幾乎確定會增加，那么可靠度就很重要了。
圖1. Bluetooth RF功率波封與VCO頻率時序
圖1顯示在625µs的時槽中，傳送和接收一個366µsDH1封包的可能時序。在下方軌跡可以看到安定時間間隔。在這個間隔中，裝置必須跳至下一個通道頻率，而電壓控制振?器（VCO）必須及時安定，以便發(fā)射或接收封包資料。請注意，封包的開頭與RF叢發(fā)的上升緣并沒有直接的相關(guān)，這可以從代表可能的替代上升緣之虛線看出來。叢發(fā)的上升緣也與時槽的開頭無關(guān)。
所有的封包資料都傳送出去之后，設(shè)計可能會立刻降低功率，或等到接近時槽末端才降低功率。
圖2. 直接調(diào)頻的VCO，類比?頻器
圖2所示的Bluetooth范例中的接收器?丫種皇褂靡桓魷倫?弧＃ɑ疑?嬌槭遣煌?杓浦惺÷曰蚪換渙慵?牟糠藎?Ｏ裾庋?納杓浦換崾褂靡桓霰鏡卣癖U器。輸出的頻率會提高一倍，而且會在接收與發(fā)射功能間切換。使用FSK可以對VCO進行簡單的直接調(diào)變?；l資料會通過高斯濾波器，并在固定的時序延遲及沒有過擊的情況下進行特性分析。脈波僅應(yīng)用于發(fā)射器。使用sample-and-hold電路或相位調(diào)變器，可以防止鎖相?路（PLL）去除頻寬內(nèi)的相位調(diào)變。中頻通常會非常高，故可限制濾波器元件的實體大小，并確保IF頻率距離LO頻率夠遠，以達到滿意的影像斥拒。
當位準夠高而能過載接收器的輸入時，可以使用天線交換。
功率–T- 輸出放大器是一個選項，使用它可以提高Class 1（+20 dBm）輸出版本所需的功率。位準準確度的規(guī)格并不嚴苛，但必須小心避免產(chǎn)生過多的功率輸出，并確保電池不會發(fā)生非必要的消耗。
不論設(shè)計提供+20 dBm或較小的值，接收器都必須準備好提供接收信號強度指標（RSSI）資訊，以使不同功率等級的裝置可以相互操作。設(shè)計中像這樣的功率上下變換現(xiàn)象，可以藉由控制放大器的偏壓電流輕易地達到。
有別于DECT或GSM等TDMA系統(tǒng)，Bluetooth頻譜測試并不會被閘控，以區(qū)隔功率控制和調(diào)變錯誤。量測間隔必須夠長，才能擷取上下變換與調(diào)變所造成的效應(yīng)。實際上，這可能不會造成認證問題，但時閘量測可能會因為具備迅速找出瑕疵的能力而變得非常重要。
如圖3所示，有一些設(shè)計會在調(diào)變開始之前，利用非指定的?期來準備接收器。在此范例中，既不會發(fā)射1，也不會發(fā)射0。
圖3. 在FM前所應(yīng)用的功率
頻率錯誤 – Bluetooth規(guī)格中的所有頻率量測，都有賴于4µs或10µs的短閘?期，這會造成結(jié)果的差異，我們可以透過幾種方式來理解。第一，較窄的時窗代表量測頻寬的截止頻率較高，因此會在量測中包含各種雜訊結(jié)構(gòu)。第二種方法是考慮錯誤結(jié)構(gòu)，例如量測裝置的量化錯誤或振?器旁帶雜訊，它們在短?期中產(chǎn)生的比例會高過于較長的量測間隔，因為在后一種情況中，這些錯誤往往會被平均掉。除了晶體參考所造成的靜態(tài)錯誤之外，在設(shè)計限制中還必須考慮到這項事實。
頻率漂移 – 漂移量測將短期、10位元的相鄰資料組，與長期的跨叢發(fā)漂移結(jié)果結(jié)合在一起。如果在發(fā)射器中使用sample-and-hold設(shè)計，則此設(shè)計所造成的錯誤可能會很明顯。在其他的設(shè)計中，從4到100 kHz的多余調(diào)變成份或雜訊，可以視同圖形中的漣波。這證實是確認電源供應(yīng)器已經(jīng)充分去耦的另一種方法。
調(diào)變 – 在發(fā)射器路徑中，圖2所示的VCO?裰苯擁鞅淶姆絞健Ｎ?苊?LL去除頻寬內(nèi)的調(diào)變成份，可以在傳輸時將它開啟，或使用相位錯誤更正（兩點調(diào)變）。sample-and-hold技術(shù)可能是有效的，但必須注意避免頻率漂移。除非使用數(shù)位技術(shù)來調(diào)整合成器的除頻比，否則就應(yīng)校驗相位調(diào)變器，以避免不同資料碼型的調(diào)變響應(yīng)缺乏平坦度。圖4顯示用于認證測試的典型調(diào)變模式。
圖4a & 4b. 用于認證測試的調(diào)變模式
Bluetooth RF規(guī)格會檢查11110000和10101010兩個不同碼型的峰值頻率差異。GMSK調(diào)變?yōu)V波器的輸出在2.5個位元之后達到最大，第一個碼型會檢查這一部份。GMSK濾波器的截止點和形狀，可利用第二個碼型來檢查。
理想上，1010碼型的峰值差異為11110000的88%，雖然有些設(shè)計因為在發(fā)射時未使用0.5BT的高斯濾波而顯示較高的比值。最高的基本調(diào)變頻率是500 kHz，即使位元傳輸率為1 Msymbol/s。圖4中左邊圖形的淺灰色軌跡，顯示I/Q不平衡狀態(tài)的效應(yīng)。當擁有圖7所示的方塊圖之系統(tǒng)未經(jīng)完整校驗時，便可能發(fā)生此種情形。
頻內(nèi)頻譜 - ’-20dB’ 的測試確定調(diào)變與脈沖信號適合1 MHz的寬頻。圖5中的方塊可被想成限制時窗。設(shè)定10 kHz的解析頻寬，就是為了這個目的。因為振幅脈沖的關(guān)系，這項量測必須使用 ’peak hold’。這種方法考慮到了偏離精確的中心頻率之波形，所以將它變成一個?W率寬度????而非固定的遮罩。如果信號位于遮罩中間，結(jié)果會非常類似。圖5的圓點是封包起始碼中的非資料0所造成的。
圖5. -20dB量測
相鄰?fù)ǖ懒繙y被指定為以一系列的隨機頻率量測來執(zhí)行。非閘控掃描是檢查這些問題的快速而簡單的方法。與GSM、DECT和PDC等其他TDMA系統(tǒng)不同的是，即使是一項合?懔坎猓?勻豢贍芑崾褂玫秸ⅰ?br />
頻外頻譜 – 頻率加倍技術(shù)常被用來防止RF耦合回VCO，而導(dǎo)致中心頻率拖曳。次諧波必須從RF輸出路徑中排除，尤其是當它們可能影響到GPS接收器（L2 頻率為1222.7 MHz）或蜂巢式無線電裝置等co-sited功能的效能時。
圖6顯示一個不含次諧波，但卻產(chǎn)生高達9 GHz諧波的設(shè)計中的信號。這項量測可利用標準的頻譜分析儀來執(zhí)行。對研究工作來說，可以使用較快的掃描時間，但仍然需要好幾秒鐘。如果選擇較長的掃描時間，則擁有深度資料擷取緩沖區(qū)的較新型頻譜分析儀，可以讓您在掃描過后放大特定的取樣點。
圖6. 寬頻旁生
如圖7所示，有些設(shè)計會在發(fā)射與接收路徑中使用IQ混頻，優(yōu)點是可以提高電路整合的層次，并將信號處理工作交由類比電路以外的數(shù)位信號處理。這個圖描述的是一種混合的方法。有一些設(shè)計會在前端加入影像斥拒混頻。較高層次的硅整合，使得它的價格更為便宜。
所有這些IQ階段的校驗都必須仔細地說明。雷達與蜂巢式應(yīng)用所發(fā)表的技術(shù)，描述了可使用的序列和信號。直接將IQ調(diào)變應(yīng)用到RF輸出，可能會對信號產(chǎn)生令人意想不到的影響。不過，調(diào)變器的調(diào)校錯誤并不會對頻率錯誤造成任何影響，因為頻率只是相位的改變率而已。然而要辨認頻譜中的錯誤可能不太容易。
圖7. IQ調(diào)變器、數(shù)位解調(diào)器
IQ調(diào)變中的錯誤，代表有振幅調(diào)變。這可以利用功率相對時間顯示圖來偵測，或使用向量分析儀來執(zhí)行更詳細的研究。
IQ調(diào)變器也可以用來形成功率上下變換的情形，并指出閘控量測可能產(chǎn)生的值。在接收鏈中，誤碼量測必須先經(jīng)過數(shù)位處理才能進行。在接收器的混頻器輸出和ADC輸入間找出一個DC區(qū)塊，以便確認零IF系統(tǒng)。像LO-RF回饋等瑕疵所產(chǎn)生的DC成份，會隨著輸入頻率而改變，必須妥善加以處理才行。通常會在RF通道頻寬的一半位置設(shè)定IF的Near-Zero IF，比較可能在初期被偵測出來。因此，旁帶抑制會是個問題。旁帶的快速計算法：0.1 dB的增益錯誤，或1度的相位錯誤，會使旁帶下降約40 dB。
分析 IQ波形 – 向量分析儀原本就可以解調(diào)相當大范圍的信號。雖然只包含直接應(yīng)用的FSK的情況，可能無法保證額外的精密度，但在進行IQ設(shè)計的過程中，或考慮到Bluetooth 2、蜂巢式或WLAN等其他格式時，這個引數(shù)將會改變。
為了?解元件的行為特性，從多個方向來分析元件是很重要的。圖8顯示以4種方式來檢視相同資料的范例。偏差檢視以快速的視覺方式，提供正確調(diào)變模式的確認結(jié)果。眼圖和FSK錯誤可以顯示出調(diào)變的品質(zhì)。解調(diào)資料檢視則可讓使用者檢查前文、起始碼、同步文字與負載資料。
圖8. FSK的多種檢視
設(shè)計模擬 – 較高層次的整合，著重在模擬工具。它們除了可以迅速評估不同的電路拓樸之外，還有一些較先進的工具能為接收器提供更多有效及有瑕疵的信號。
對Bluetooth技術(shù)來說，這里蘊藏了一些最大的RF挑戰(zhàn)。因為電池會消耗，所以可測試限定位準的壓縮效能之效應(yīng)，以及相位雜訊、差動路徑損耗、信號瑕疵與干擾 – 包括鄰近發(fā)射器的效應(yīng)，這些會在Bluetooth單元耦合到行動手機時發(fā)生。
最近的產(chǎn)品開發(fā)，有兩個部份具備了很大的優(yōu)點。第一是數(shù)位信號生成與向量信號分析區(qū)塊的整合，可讓您交替進行模擬與實際的測試。軟體產(chǎn)品與實體儀器間的連結(jié)，能夠讓您迅速比較原型的結(jié)果。
第二個特色是設(shè)計指南，可以讓工具的設(shè)定自動化。它讓使用者紛紛改用可進行真實電路評估的設(shè)計軟體，來代替以特定無線電技術(shù)的相關(guān)基本配置資訊來編程。
接收器測試 – 圖2顯示的?頻器，是屬于混頻器/調(diào)諧電路的?頻器。它看起來很簡單，但需要執(zhí)行一些校驗。在分析設(shè)計特性的過程中，務(wù)必注意有些結(jié)果并不會呈現(xiàn)正常（高斯）分?選?br />
原因出在使用的電路技術(shù)，而且基于調(diào)諧電路/混頻器組合的相位/頻率特性的關(guān)系，會有一個限制值。延遲線路?頻器是另一種選擇，但需要進行校驗。
前端放大器的設(shè)計與測試必須專注于干擾而非最可能出現(xiàn)的雜訊指數(shù)，或1 dB的壓縮特性。有各種不同的技術(shù)可用來動態(tài)改變接收器鏈的增益，進而優(yōu)化多余信號的斥拒。在信號產(chǎn)生器中使用同步的脈沖振幅調(diào)變，可能是對AGC系統(tǒng)的叢發(fā)至叢發(fā)響應(yīng)的一項值得進行的測試，尤其是在軟體控制的情況下。圖9顯示測試隔離接收器的量測路徑。
圖9. 測試隔離接收器的量測路徑
測試接收器跳頻 - 前面曾經(jīng)提過，所有的Bluetooth設(shè)計中都會使用一個本地振?器。這么做的副作用是在小于300 s的完整調(diào)諧范圍內(nèi)，可能會造成它?轉(zhuǎn)。當裝置以Bluetooth測試模式操作時，也可能發(fā)生這種情形。
在發(fā)射?期，可能會選擇接收測試頻率對面的ISM頻帶端，或其他任意一個點的頻率。VCO每一次都必須轉(zhuǎn)換回接收器頻率。請參閱圖10。
每個叢發(fā)都可以用于資料傳輸，因此可以使用連續(xù)序列。這樣就不必執(zhí)行信號源必須跳動的跳頻BER測試了。雖然如此，在鏈路信令出現(xiàn)前，使用者仍必須安排信號產(chǎn)生器與待測元件的同步控制。
當位元轉(zhuǎn)換成數(shù)位格式后，就可執(zhí)行BER測試了。執(zhí)行的方法有好幾種，表1列出了各種BER測試技術(shù)的摘要。
圖10. VCO交換/固定的RX通道
表1. 接收器誤碼量測的方法
結(jié)語
Bluetooth技術(shù)使用快速跳頻（高達1600 hops/sec）的方法，并在2.4 GHz的頻率下操作。GFSK調(diào)變的運用，以及寬松的接收器靈敏度需求，考慮到了簡單的無線電設(shè)計。這些特性導(dǎo)致一些模組的出現(xiàn)，它們使用先前設(shè)計的系統(tǒng)所?裼玫募際酰??緡分薜?ECT標準。
不過，Bluetooth裝置較低的目標價，迫使其他設(shè)計?裥姓?隙雀?叩牟煌?椒āＯ低癡?系ゾ??⒆畹偷墓β氏?牧?、澡幙的干扰曳N?、壹s壩龐詮娓竦牧槊舳鵲饒勘輳?溝盟?納杓樸虢細咝?艿奈尷叩縞杓埔謊?瀆?頌粽叫?。本文回顾了直綋眢x檔?CO設(shè)計與數(shù)位IQ技術(shù)的差異，以及它們對量測所造成的影響。文中說明了Bluetooth調(diào)變特性量測如何驗證Direct FM設(shè)計所產(chǎn)生的信號之品質(zhì)，以及載波頻率漂移（Carrier Frequency Drift）和ICFT如何讓IQ調(diào)變瑕疵消失無蹤。
此外，本文還說明執(zhí)行?w定時間?市DBluetooth規(guī)格量測的優(yōu)點。顯然無線電設(shè)計師必須取得完整的模擬與量測工具，才有可能完成一個可靠的Bluetooth設(shè)計。
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