关于蓝牙低功耗测试解决方案的介绍和应用

首先介绍了蓝牙低功耗技术的特点及物理层特性，然后，从技术认证的测试需求着手，着重介绍了罗德与施瓦茨公司对其物理层测试的整体解决方案。

1  蓝牙技术简介

蓝牙（Bluetooth）是一种短距离的无线通讯技术，最初是研究在移动电话和其它配件间进行低功耗、低成本无线通信连接的方法。发明者希望为设备间的通讯创造一组统一的标准化协议，以解决用户间互不兼容的移动电子设备的互连互通，这些设备之间省去了传统的电线。透过芯片上的无线接收器，配有此技术的电子设备能够在短距离内彼此相通，传输速度可以达到每秒钟1Mbps。和当时流行的红外线技术相比，它有着更高的传输速度，而且不需要像红外线那样进行接口对接口的连接，所有设备基本上只要在有效通讯范围内使用，就可以进行随时连接。

当1.0版本推出以后，并未立即受到广泛的应用，除了当时对应功能的电子设备种类少，蓝牙装置也十分昂贵。2001年的1.1版正式列入IEEE标准，1.1版本即为IEEE 802.15.1。几年之后，采用此技术的电子装置就像雨后春笋般增加，售价也大幅回落。为了扩宽蓝牙的应用层面和传输速度，技术联盟SIG先后推出了1.2版、2.0版，以及其它附加新功能，例如增强型速率EDR（Enhanced Data Rate），配合2.0的技术标准，将最大传输速度提高到3Mbps。3.0版本在适配层协议应用了WiFi技术，即可在需要的时候调用802.11 WiFi用于实现高速数据传输，数据传输率提高到了大约24Mbps。而最新推出的4.0版本在电池时间、节能和设备种类上，以及有效传输距离上均有所提升。4.0规范的核心技术是低功耗技术(Low Energy)，该技术的最大特点是拥有超低的运行功耗和待机功耗，配备此功能的设备使用一粒纽扣电池甚至可以连续工作数年之久。

2  蓝牙低功耗技术

2.1  省电原理

设备耗电几乎是传统蓝牙设备的十分之一，其主要改变体现在三个方面：待机功耗的减少、高速连接的实现和峰值功率的降低。

2.1.1  待机功耗的减少

传统设备的待机耗电量大一直是为人所诟病的缺陷之一，这与传统技术动辄采用16～32 个频道进行广播不无关系，而4.0版本仅使用了3 个广播通道，且每次广播时射频的开启时间也由传统的22.5ms 减少到0.6～1.2ms，这两个协议规范上的改变显然大大降低了因为广播数据导致的待机功耗。

此外，还设计了用深度睡眠状态来替换传统的空闲状态，在深度睡眠状态下，主机长时间处于超低的负载循环状态，只在需要运作时由控制器来启动，这样的设计，同样可以降低因为控制器工作所导致的功率消耗。

2.1.2  高速连接的实现

按照传统蓝牙的协议规范，若某一设备正在进行广播，则它不会响应当前正在进行的设备扫描，而低功耗协议规范允许正在进行广播的设备连接到正在扫描的设备上，这就有效避免了重复扫描，而通过对连接机制的改善，设备连接建立过程可控制在3ms 内完成，同时能以应用程序迅速启动链接器，并以数毫秒的传输速度完成经认可的数据传递后并立即关闭连结，而传统协议下即使只是建立链路层连接都需要花费100ms，建立逻辑链路控制与适应协议层的连接建立时间则更长。

2.1.3  峰值功率的降低
标准蓝牙使用的数据包长度更长，在发送这些较长数据包时，无线设备必须在相对较高的功耗状态下保持更长时间，从而容易使硅片发热。这种发热将改变材料的物理特性，进而改变传输频率，因此，需要对无线设备进行频繁的校准。再次校准将消耗更多的功率，并且还将采取闭环结构。相反，蓝牙低功耗对数据包的长度进行了更加严格的定义，支持超短(8～27Byte)数据包，这能使硅片保持在低温状态下，因此，蓝牙低功耗不需要进行再次校准和采用闭环结构。

2.2  物理层特性

采用时分双工TDD工作方式，主设备在偶数时隙上发射，从设备在奇数时隙上发射，网内部的话音和数据比特通过数据包发射。一个数据包包括一个接入码、一个包头和一个有效载荷段，其中，接入码包括前导序列、同步字和可选的字尾。包头包含网地址和数据包信息。其物理层特性包括频率、功率、物理层、数据单元和调制特性。

2.2.1  工作频率
系统工作于2.4GHz ISM频段：2400-2483.5MHz，采用40个射频信道，这些射频信道的中心频率按2402+k×2MHz（k=0，…，39）规则运行。

2.2.2  发射功率
系统的输出功率大概在-20dBm（0.01mW）到10dBm（10mW）之间。

2.2.3  物理层结构
BLE系统的用于广播信道和数据信道的数据连接层，只有一个数据包格式，下图1所示，每个数据包包含4个域：前导，地址访问，数据PDU及CRC校验。从物理层数据格式可以看出，数据包最短80bit，最长376bit。

图1 物理层结构

2.2.4  数据信道单元PDU
数据信道单元PDU有16位长的头文件，净荷可变，也可能包括了信息完整性检测域MIC，参考下图：

图2 数据信道单元PDU

2.2.5  调制特性
蓝牙低功耗采用了调制指数为0.5的GFSK调制，即GMSK调制，频率偏移为250kHz，符号速率达1Mbps。

3  蓝牙低功耗BLE认证测试

具备此功能的产品都需要经过SIG论坛的认证，否则，将被视为侵权行为。产品的认证，可以充分保证产品与核心规范的一致性及产品间的互操作性，是产业化中最重要的一个环节。

认证测试包括发射测试和接收测试，与传统设备的射频测试规范相比，低功耗简化了该部分的测试，包括极限条件在内的全部测试内容只有14个，射频测试项目如下表1所示：
表1射频测试项目

其中，极限条件指的是高低温和高低压。

4  蓝牙低功耗测试解决方案

基于对物理层特性的理解，根据测试规范，罗德与施瓦茨公司提供了一套完善的测试解决方案，克服了蓝牙的测试挑战。

4.1  发射机测试
使用FSW/FSV可以轻松完成GFSK调制信号的分析，包括射频指标测试和调制质量分析，具体测试平台参考图3所示：

图3 测试框图

4.1.1  输出功率
输出功率的测试是在时域进行，设置频谱仪为时域模式，扫描时间必须覆盖一个完整的数据包，另外，由于是一突发信号，需要使用触发才能看到整个信号，采用功率触发或者外触发，可以得到其信号的输出功率，如下图所示：

图4 输出功率测试结果

4.1.2  带内杂散

该测试可以帮助减小整个信道的干扰，根据测试规范的要求，此处的带内杂散即为邻近信道功率测量ACLR。通过分析频域的信号电平，确保整个信道满足规范要求。

图5 邻道功率测试结果

4.1.3  调制特性和载波频率偏移

对调制质量的测试，要求分析仪对其信号进行解调，以得到IQ性能和每个符号的频率偏移，解调测试，包括了调制特性和载波频率偏移。

矢量信号分析仪除了可以对其信号进行复杂的调制质量测试，还能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、电源噪声的叠加及载波频率漂移带来的影响。

图6 调制特性和载波频率偏移测试结果

从解调结果来看，不仅可以得到调制误差和载波频率误差，同时，还可以得到FSK的频偏、幅度误差、功率，以及星座图和解调数据。

4.2  接收机测试

罗德与施瓦茨公司的矢量信号源都可配置Bluetooth功能，包括了基本速率和增强速率及低功耗两种不同模式，通过选择低功耗模式，调整相关参数，如数据包类型和数据包长等参数，即可产生用于接收机测试的蓝牙低功耗信号，具体设置参考图7所示：

图7 信号源测试模式

4.2.1  接收灵敏度和最大输入信号电平测试
灵敏度测试是为了检测设备在最小最大输入电平的条件下，是否可以正常工作。测试过程中，要求信号源能提供满足设备要求的最小最大输出电平，直至设备的误码率BER或误包率PER在规范要求的范围以内。

4.2.2  载干比C/I性能测试
载干比C/I性能测试是指，在发生有用信号的同时，在相邻信道同时发射干扰信号，然后测试产品的误码率BER或误包率PER。测试仪表需要一个发射正常工作的主信号，同时需要提供一个可生成干扰源，在此指标的测试上，具备多种方法，一可以使用双通道矢量信号源SMW；二可以使用两台矢量信号源完成。

图8 载干比C/I性能测试

4.2.3  阻塞性能测试
阻塞性能测试类似于载干比性能测试，唯一不同的地方在于，阻塞性能测试要求在主信号旁边加一连续波CW信号干扰，并且，连续波干扰信号的频率需要从30MHz到12.75GHz，因此，需要一台微波源，测试平台如下：

图9 阻塞性能测试

4.2.4  互调测试
互调性能测试是指，两个信号或多个信号同时作用在设备上，考察他们的互调成分对设备接收的影响。测试过程中，需要提供三个信号，一是正常工作的信号；二是连续波信号；三是带调制的干扰信号。

图10 互调性能测试

4.2.5  误包率测试
误包率的测试是用来评估接收机的基本性能，通过比较发送的有效数据包和收到的有效数据包，计算得到误包率PER。因此，有两种方法可行：
1） 设备本身具备误包率PER统计功能：只需要提供配置蓝牙功能的矢量信号源即可完成；
2） 设备本身不具备误包率PER统计功能：需要一种具备误包率PER测试功能的仪表，比方说，综测仪CMW500或CBT就能完成此项指标测试；

5 蓝牙低功耗BLE配置方案

罗德与施瓦茨公司提供了一系列的仪器以满足这种设备的各种测试需求，下面简单介绍一下本文中提到的测试仪器，包括接收和发射测试，配置参考下表：

6 小结
经过近十年移动通信，电子技术的高速发展，蓝牙技术已经广泛应用于电信业、计算机业、家电业、医疗、汽车电子等领域，对我们的生活带来巨大的便利。自4.0核心规范发布近六年来，低功耗产品的产业化进度也发展迅速，目前已经有多家芯片厂商的产品通过了SIG论坛认证，产品的市场化也已大规模发展，此技术将会有广阔的发展前景。随着无线技术的进一步发展，此项技术仍然会不断更新，不断完善。