BT测试方案_Agilent经典射频测试方案

1、文档下载免费文档下载http:/ _agilent经典射频测试方案1.1. 蓝牙的无线单元蓝牙被定义为一种用于无线连接的全球性规范。由于它要取代电缆，所以成本要低、操作要直观而且要稳定可靠。对蓝牙的这些需求带来了许多挑战。蓝牙技术通过多种方式满足这些挑战性的需求。首先，蓝牙选择无需执照的ism频段；其次，蓝牙的设计强调低功率和极低成本。为了在干扰非常强的ism频段正常工作，蓝牙采用跳频技术。蓝牙设备采用的框图有很多种。对于发射而言，在末级射频结构中采用的技术包括直接vco调制和 iq 混合技术。在接收机中，主要采用了传统的鉴频器或与模数转换结合的iq 下变频器。有许多设计可以满足蓝牙无线规范，

2、但如果不小心行事，每种设计都会有所差异。蓝牙系统由无线单元、基带链路控制单元和链路管理软件组成。另外，还包括高层应用软件。图 1 是蓝牙系统的框图，图中显示了基带、射频发射机、射频接收机等不同部分。图 1. 1.2. 蓝牙链路控制单元和链路管理蓝牙链路控制单元，或称链路控制器，决定蓝牙设备的状态。它不仅负责功率的有效管理、文档下载免费文档下载http:/ master unit ）或者从设备（ slave unit ） 。从设备间建立连接，同时决定从设备的省电模式。主设备可以主动与最多7 个从设备同时进行通信；同时，另外200 多个从设备可以登记成非通信、省电的模式。这样的一个控制区域定义成一

3、个匹克网（piconet ） 。同样，不同匹克网的主设备可以同时控制一个从设备。这时，匹克网组成的网络称为散射网（scatternet） 。图 2 描述了由两个匹克网组成的一个散射网。不属于任何一个匹克网的设备处于待机模式 standby mode）链路管理器在主蓝牙无线技术是一种针对无线个人区域网（pan ）的公开规范。它为信息设备之间的声音和数据传送提供有限范围内的无线连接。蓝牙无线技术使得设备之间无需电缆便可实现相互连接。与大多数无线通信系统所不同的是，蓝牙设备之间可以实现即时组网，而不需要网络设施如基站或接入点（ap ）的支持。本测试建议书描述了用来验证蓝牙射频设计的收发信机测试方法。

4、测试过程既有手动控制和软件自动控制，又有方便的单键测试。安捷伦科技关于蓝牙测试的解决方案清单请见附录d。本建议书适用于对射频测试有基本了解的读者。若想更多了解射频测试的基础知识，请参阅附录 c推荐的阅读清单。文档下载免费文档下载http:/ tdd ）方式中，主设备在偶数时隙上发射，从设备在奇数时隙上发射。在匹克网内部的话音和数据比特通过数据包发射。主设备或者从设备的数据包长度可以是一个、三个或者五个时隙。一个数据包包括一个接入码 （accesscode） 、 一个包头（header） 和一个有效载荷段（payload ） 。接入码包 括前导序列（ preamble） 、同步字（ sync w

5、ord ）和可选的字尾（ trailer） 。包头包含 匹克网地址和数据包信息。有效载荷段 携带用户的话音或者数据信息。数据包组成的更详细的信息请参见蓝牙规范的b部分（ part b ） ，即“基带规范”。2.1. 蓝牙器件的测试挑战由于蓝牙工作在无需牌照的ism频段，该频段的干扰很大，蓝牙采用跳频技术来对抗干扰。跳频的使用增加了信号分析的难度。其次，蓝牙采用了gfsk 调制，不同的数据导致调制波形的特性相差很大，因此必须在不同的测试项目中使用不同的有效载荷。此外，要实现一个成功的蓝牙产品，还必须保证: 符合全球各国的无线管理规范要求; 1. 通过蓝牙认证 ; 2. 实现低功耗 ;3. 很简单

6、的生产和测试，高产量;4. 与其它蓝牙供应商的设备之间很好的互操作性 ;5. 足够小以至于很方便地整合到其它小的设备里;6 最重要的是实现低成本 。2.2. 蓝牙射频测试包的组成蓝牙无线接口是蓝牙协议栈的第一层。图3 所示为蓝牙协议栈不同层的结构。文档下载免费文档下载http:/ 3. 蓝牙协议栈的基本分层结构蓝牙特别兴趣小组（ sig）建议了一个清单，名为“蓝牙射频测试包的组成”。该清单定义了蓝牙设备认证所需的无线接口测试项目。表1 所示为测试项目列表及其标识。本建议书的后续章节介绍这些测试项目以及如何进行测试。关于具体的测试要求，比如初始条件、测试过程、测试条件或者预期的测试结果， 请参见

7、“蓝牙射频测试规范”（参考书目 1） 。文档下载免费文档下载http:/ sig定义，是一份权威性的文件1。注释: 作者在写本文档时，该文献的版本是0.91 （射频测试规范化1.1 ，2001 年 6 月 2 日） 。从那时开始，在蓝牙sig 网站上，可能发布了一些对该文献的更正信息。请参阅该网站，以得到最新的测试要求。2.3. 安捷伦蓝牙测试解决方案针对蓝牙射频测试包，安捷伦提供的解决方案表 2. 蓝牙射频测试解决方案 完全满足蓝牙测试要求 不完全兼容蓝牙测试要求，只用于预兼容性测试文档下载免费文档下载http:/ 5: 需要另加能够产生蓝牙信号的信号源，做为干扰信号注释 6: 需要配置安捷

8、伦 e8257d微波高性能信号源，产生连续波干扰信号（30mhz-12.75ghz ） 。 ，产生互调信号。注释 7: 需要另加两个信号源（一个标准信号源，另外一个能够产生蓝牙信号）2.4. 蓝牙发射机测试本章概述了蓝牙发射机的测试及其使用的方法，描述了对蓝牙元件和系统进行的测试，并提供一些例子和相关的信息。2.4.1. 测试条件及配置表 3 总结了发射机测试的测试条件。表 3. 发射机测试条件平均功率和峰值功率的测试可以用蓝牙综测仪、功率计、频谱仪或者矢量信号分析仪来完成。对任何一个测试仪来说， 它记录了突发信号中的最大功率，同时计算突发的20% 至 80% 持续时间的平均功率。突发的持续时

9、间（突发宽度）指的是相对平均功率3db的前点和后点之间的时间。对具有全部功能的蓝牙设备的发射机性能进行测试，方法之一是采用蓝牙综合测试仪，比如安捷伦公司的n4010a 。该测试仪与被测设备之间会形成一个匹克网，其中测试仪为主设备，被测设备为从设备。测试仪和被测设备之间会使用正常模式或者测试模式，用标准的蓝牙协议，建立一条链路。当被测设备处于测试模式时，测试仪可以完全控制被测设备的工作。文档下载免费文档下载http:/ 4 所示为使用安捷伦n4010a蓝牙综测仪的基本配置。2.4.2. 功率测试射频发射功率的测试包括输出功率（一个突发中的平均功率和峰值功率） 、功率密度和功率控制 。功率电平是数

10、字通信系统中的关键参数。以上测试项帮助保证功率电平足够高得可以维持通信链路，同时足够低得在ism频段产生的干扰最小，并且最大限度地延长电池的寿命。. 输出功率输出功率的测试是在时域上进行的。由于蓝牙信号是一串时分双工的突发信号，所以需要进行正确的触发。为了看到整个信号，触发是在突发包络的上升沿进行的。图 5 所示是一个突发在时域上的功率和时间的关系。使用 n4010a蓝牙综测仪测输出功率时， 按照蓝牙射频测试规范对输出功率测试的要求，蓝牙设备已经置于以下初始条件下：测试设备进入跳频的测试模式、发射dh5数据包、该数据包使用最大的数据包长度（339） 。注意，该蓝牙设备为功率级1

11、的设备（平均功率图 6a. 用 esa-e 系列频谱仪的蓝牙选件进行输出功率测试矢量信号分析仪提供“触发延时”的功能，允许在触发点之前观察信号。矢量信号分析仪还提供“平均功率”的功能，可以自动得到平均功率。图6b 所示为在矢量信号分析仪上显示的平均功率测试。扫描时间和触发延时调整到可以测试突发的平均功率，避开了上升沿和下降沿。图 6b. 用 89600http:/ 它的门设置和控制功能允许对蓝牙信号进行更详细的分析。图 6c 所示为功率测试的屏幕。屏幕的上半部分为功率扫迹，下半部分为突发功率的详细分析。图 6c. 用功率计进行输出功率测试注释 eirp由于 eirp它包括发射机、电缆损耗和天线

12、增益的影响。当使用直接的端到端的连文档下载免费文档下载http:/ 功率控制功率控制测试允许对功率控制电路进行测试和校准。功率控制测试只对支持功率控制的蓝牙设备进行 。功率控制的测试方法与平均功率的测试方法一样，只不过对三个频率点（高、中、低信道）进行。功率控制测试验证功率电平和功率步长是否满足规定的范围。通过建立一条链路，安捷伦的 n4010a综测仪可以调整被测设备的功率电平。. 功率密度100khz该项测试使用频谱仪的频域测量功能，中心频率设为蓝牙频段的中间频率，扫宽打到足够宽，使得可以观察到整个频段。分辨率带宽设为100khz。将扫迹模式设为“最大保持” ，进行单次一分钟的

13、扫描。扫迹的最大值可以用峰值检测（peakdetection ）来得到。该点的频率成为频谱仪新的中心频率。图7a 所示为该测试的一部分，可以很容易得到信号的不平坦度。图 7a. 用 esa-e系列频谱仪进行功率密度测试（频域测试）该测试的第二部分是，将频谱仪改到时域测量，进行单次一分钟的扫描，如图12b。功率密度通过计算扫迹的平均值得到。在频谱仪上，功率密度可以通过分析扫迹数据并对结果进行平均得到。矢量信号分析仪本身具备计算扫迹平均功率的功能。图 7b. 用 esa-e系列频谱仪进行功率密度测试（时域测试）值得注意的是，蓝牙模块需要具备正确的rssi检测器，而且，功率控制的信令需要使用相对增减

14、的指令，而不是绝对功率指令。2.4.3. 发射输出频谱发射输出频谱测试通过分析频域的功率电平，以确保信道外的输出信号最小。该测试可以帮助减少整个系统的干扰以满足强制性的兼容标准。它将被测设备输出的频谱与一个规范定义的模板相比较。该模板的特性如表 5。表 5 频谱模板的要求文档下载免费文档下载http:/ 4 总结的那样，蓝牙规范将发射输出频谱分为三项测试 : 1. 频率范围2 -20db 带宽3 邻近信道功率前两项测试使用峰值检波的方法，而邻近信道功率的测试使用平均检波的方法。后两项测试采用“最大保持”模式，而频率范围测试采用平均模式。. 频率范围做频率范围测试时，将载波设为高信

15、道和低信道。此时，检验信号的功率密度，采样时间足够长，保证采到最高射频功率。测得信号在2400mhz （法国是 2446.5mhz ）和 2483.5mhz的频率处必须小于 -80dbm/hz eirp。. -20db带宽文档下载免费文档下载http:/ 带宽测试在高、中、低三个信道进行，使用较窄的测试滤波器。测试时频谱仪扫宽打到 2mhz ，并记录峰值射频功率。功率比峰值射频功率下降20db 的两个频率点之间的频率差就称为 -20db 带宽，它必须小于 1mhz 。图 8a 显示了观察到的频谱形状。观察输出频谱时，能看到在频谱显示上存在不对称的情况。这是因为在突发信号当中，有“

16、非白色”的部分，比如包头。图 8a. 用 esa-e系列频谱仪的蓝牙选件测试-20db 带宽注释: 在最初的测试规范中，要求信号分析仪的扫描时间设为“自动”。这意味着扫描时间随着信号分析仪的类型和生产厂家不同而不同。但是，如果扫描时间太短，比如小于1 秒（这是有可能发生的， 因为 http:/ 秒。. 邻近信道功率邻近信道功率（ acp ）测试是这三项测试中最复杂的一项。测试是在选定信道以及上下3mhz带宽内进行。例如选定信道可以是信道3 和 75。 从信道 0 开始， 在偏离载波 -450khz 和 450khz的范围内，对信号进行十个点的采样。采样的结果相加起来。测试信道按1

17、mhz的步长增加，直到测完最高信道。如表 5 所示，当被测设备在m信道上发射时，邻近信道功率在n信道上测试，那么，下列条件必须满足。ptx （f ）-20dbm ，当|m-n|=2 时; ptx （f ）-40dbm ，当|m-n| 3 时安捷伦的 esa-e系列频谱仪采用专利算法，对acp进行测量。用户只要按一个键，就可以得到结果。它使得复杂测试简单化，是进行预兼容性测试的理想工具。图 8b. 用 esa-e系列频谱仪测试邻近信道功率（图中所示为信道3）图 8b 所示为信道 3（m=3 ）的 acp 测试结果。条件 ptxf）-20dbm 用来验证信道 1 和信道 5（n=1 ， 5） ；

18、条件 ptx （f ） -40dbm 用来验证其它信道 （n=0,6,7,.,78） 。 测试通过用“pass ”标志来表示。文档下载免费文档下载http:/ 14b 所示就是使用安捷伦的esa-e系列频谱仪得到的调制特性测试结果。图中，esa-e正在测 http:/ “11110000” 有效载荷，并且正在与先前存起来的“10101010”有效载荷进行比较（见“hold result ”菜单） 。2.4.4. 调制测试蓝牙调制测试包括调制特性、初始载波频率容限（icft）和载波频率漂移等 。调制测试不仅反映了本振的稳定性，也反映了调制电路的性能。调制器和压控振荡器都会受电源的数字噪声以及发射

19、突发信号的影响。在设计电路时，要小心谨慎，避免电源引起频率漂移。对调制的验证要求测试仪对蓝牙信号进行解调，以得到每个比特的频率。. 调制特性用到了两种不断重复的八比特有效载荷:11110000 和 10101010。这两种数据组合对调制器性能和调制之前的滤波器都进行了检验。在本节的开始部分，我们对此进行了更详细的介绍。调制特性的测试过程该测试要求采用可支持的最长的数据包，同时有效载荷也是最长的，而且测试要在高、中、低三个信道上进行。对11110000”和“10101010”有效有效载荷的每八个比特的频率都要进行测试，然后进行f1max （对 11110000而言）和 f2max

20、（对而言）。最后，最大频偏值做一个平均计算，记为 f1avg（对 11110000而言）和 f2avg（对 10101010而言） 。在最终测试结果中，所有的最大频偏和平均最大频偏都要用到。这个测试过程要在最少10个数据包上进行。然后，为了确保调制特性测试通过，下列条件必须满足。1.140khz f1max 175khz 2. f2max 115khz 3. f2avg/f1avg 0.8 安捷伦的 n4010a蓝牙综测仪可以自动完成上述测试。同样，使用安捷伦 esa-e系列频谱仪的蓝牙测试选件也可以对此进行测量，只需少量的按键。选择有效载荷“10101010” ，最大频偏f2max和最大频偏

21、的平均值 f2avg就会显示在屏幕上。 测试结果可以存起来。 然后选择有文档下载免费文档下载http:/ ， 重复测试过程。 同样，最大频偏 f1max和最大频偏的平均值 f1avg 计算得到并显示在屏幕上。然后，使用存放起来的f2avg，比值 f2avg/f1avg就可以得到了。如果该比值小于80% ，屏幕上就会显示“ fail”标志。. 调制质量矢量信号分析仪可以进行复杂的调制质量的测试。调制质量测试可以检测、量化和跟踪产生信号问题的根源，比如发射机干扰引起的互调、电源噪声调制、天线端口的功率不匹配和不稳定等。虽然调制质量不直接是蓝牙射频测试规范的一部分，但是诸如fsk误差、

22、幅度误差和眼图等都是很有用的故障查找工具。图 15 显示了对有意加入了频率漂移的蓝牙信号的解调测试结果。频率漂移很容易在显示屏的左下角看到。. 初始载波频率容限（ icft）文档下载免费文档下载http:/ 定时测试对 蓝 牙 信 号 的 定 时 测 试 可 能 会 进 行 ， 比 如 突 发 模 板 的 分 析 、 锁 相 环（plhttp:/ 的稳定时间和其它定时特性的测试。这些测试虽然不是蓝牙规范的一部分，但是它们可以帮助研发工程师确保自己设计的电路满足指标要求。. 突发模板 pvt 突发的上升和下降时间可以通过信号分析仪或功率计的时域功能进行测试。蓝牙无线技

23、术并没有定义上升和下降时间。上升时间的传统业界定义是，信号从 10% 幅度（-20db）上升到 90% 幅度（-0.9db ）所花的时间。下降时间定义的是 相同的幅度点，但顺序是相反的。在与蓝牙系统类似的dect 系统中，上升和下降时间的定义稍有区别，上升时间定义的是幅度从-30db 上升到 -3db 所花的时间，而文档下载免费文档下载http:/ -6db 下降到 -30db 所花的时间。预触发使得上升时间的抓取和测试很容易。对于突发的模板并没有明确的定义。有些设备的信号瞬时变化可能明显地快。太快的瞬时变化可能导致输出频谱不能通过测试，因为突发陡峭的边缘会引起频谱扩散。图 18 所示是一个突

24、发的上升和下降时间的一个例子。其它的突发特性，如脉冲通断比（on/off ratio ） 、过冲、突发时间和突发重复频率等（如图10） 。使用安捷伦的功率计分析软件，可以详细地看到这些参数。图 18. 用 89600测试蓝牙突发的上升和下降沿150 图 19a 的谱图显示了一个性能不好的锁相环在开机时的稳定时间。谱图在分析这种情况时很有效。在谱图中，横轴是频率，纵轴是时间。信号的幅度用不同的颜色或灰度级来表示，更亮的颜色或灰度代表了更高的幅度。图 19a. 用 89601a的谱图功能测试锁相环的稳定时间更复杂的谱图可以用矢量信号分http:/ 所示是一个蓝牙突发的最初 120_s 的谱图。该例

25、子中的有效载荷是11110000,四个“ 1”和四个 0”产生的偏离载波 157.5khz 的频率可以清楚地看到。图 19b. 用 89601a的谱图功能测试蓝牙信号的符号定时和速率2.5. 收发信机测试收发信机测试包含一些带外杂散发射的测试。这些带外杂散发射验证蓝牙系统按照规定的要求正常工作。 在规范中标明了两种带外杂散发射：传导杂散发射和辐射杂散发射。传导发射是杂散发射的一种，它产生于测试设备的天线或输出接头处；而辐射发射测试的是被测设备内部泄漏出来的杂散发射。对于杂散发射，美国和欧洲采用不同的标准。美国采用的是联邦通信委员会（fcc ）制定的 15.247 标准；欧洲采用的则是欧洲技术标

26、准委员会（etsi）制定的 ets300 328标准。杂散发射可用频谱仪来测试，通过频谱仪扫描整个频率范围并捕捉毛刺。杂散发射指标参见蓝牙射频测试规范。etsi 标准要求频谱仪频率范围达到12.75ghz ，而 fcc标准则要求频率范围高达25.0ghz。文档下载免费文档下载http:/ ）第 16 版标准的兼容性测试，则可以使用具有准峰值检测能力的电磁兼容（emc ）频谱仪。本文对这些测试不予详述，若想获得更多有关安捷伦 emc 产品的信息，请与本地安捷伦销售代表联系。2.6. 蓝牙接收机测试这一章将讨论蓝牙模块所需要的各种接收机的测试。这些测试确保蓝牙接收机性能指标的完整性。有关接收机测试

27、条件的进一步细节可参见蓝牙射频测试规范。为蓝牙无线技术定义的接收机测试项如下: 1. 单时隙包的灵敏度2. 多时隙包的灵敏度、3. 载干比 (c/i) 性能4. 阻塞性能5. 互调性能6. 最大输入电平ber是用来评估接收机性能的指标。通过比较发送的有效载荷和接收的有效载荷的不同比特，可以确定 ber的大小。差错比特的个数与接收到的总的数据比特个数之比即为ber 。2.6.1. 测试条件和配置. 测试条件表 6 总结了接收机测试的测试条件。文档下载免费文档下载http:/ 6. 接收机测试参数. ber测试配置可使用不同的测试仪表配置来完成ber测试。同发射机测试配

28、置类似，ber测试采用蓝牙综测仪（见图 4）或测试系统。是使用安捷伦 n4010a蓝牙综测仪进行ber测试时，在综测仪和蓝牙被测设备之间建立一条链路。工作在环回模式的被测设备对进来的信号进行接收、解调并解码，然后将还原的有效载荷，按照刚才接收时的数据包类型，重新打包并发送出去。返回的数据被蓝牙综测仪接收，由综测仪完成 ber 测试。在进行接收机测试时，蓝牙射频测试规范要求最少返回1, 600,000比特有效载荷供测试。ber测试也可采用一套基本的测试系统来完成。测试系统包括具有ber分析能力的信号源和具有调频解调功能的信号分析仪。测试配置见图20b。对此配置而言，被测设备内部要有一个特殊的“测

29、试工具”。它必须具备以下能力，即要求被测设备将接收到的数据包环回发射出去。这样，蓝牙设备将数字信号发生器输出的蓝牙信号进行接收并解调，环回后通过发射机发射出去，以供信号分析仪分析。信号分析仪对反馈回来的信号进行解调，并和信号源发出的原始信号相比较，从而实现ber测试。在上述两种测试配置中，蓝牙设备都必须能够将接收到的信号还原并发送出去，也必须支持环回测试模式或内部具有环回测试工具（图20b 所示配置） ，否则就必须采用其它不同的配置。图 20b. 用 esg-http:/ esa-e系列频谱仪器进行误码率测试图 20c 和图 20d为 ber 测试配置的两个例子，其中的蓝牙被测设备仅仅充当一个

30、标准的接收机。蓝牙设备的接收机和发射机之间没有环回操作，ber的测试要使用安捷伦esg-d或者e4438c信号发生器系列中的内部ber 分析仪（选件 un7 ）来完成 . 图 20c. 用 esg-d/e4438c 系列数字信号发生器测试误码率（蓝牙接收机的fm解调器输出引到 esg-d/e4438c ）图 20d. 用 esg-d/e4438c 系列数字信号发生器测试误码率（蓝牙接收机的基带数据输出引到esg-d/e4438c ）文档下载免费文档下载http:/ 20c 所示，蓝牙被测设备接收并解调来自esg-d/e4438c 的信号，同时接收机提供调频鉴频器输出信号。解调后的数据包再输入到

31、信号源的ber分析仪，供其分析用。在鉴频器输出和 ber分析仪的输入之间信号需要进行ttl电平转换。当采用如图 20d 所示的测试配置时，蓝牙被测设备接收并解调信号，并提供基带处理器输出的蓝牙基带信号。 和前述配置相似， 基带处理器输出的蓝牙数据包作为esg-d/e4438c 内部的ber分析仪的输入数据。对于使用安捷伦esg-d/e4438c 系列数字信号发生器时有关ber分析的进一步细节，请参阅安捷伦产品手册：当蓝牙设备不具备环回模式时，可用误包率（per ）测 试替代 ber测试。因为 per测试不要求蓝牙被测设备工作在环回模式，所以通过使用蓝牙综测仪工作在发射机测试模式或正常模式就可实现per测试。尽管 per测试不属于蓝牙射频测试规范，但它仍足以说明接收机的性能。采用蓝牙综测仪实现per测试，方法如下：在发射机测试模式中，蓝牙综测仪命令蓝牙被测设备发射特殊类型的数据包。这个命令由蓝牙综测仪以poll