难关攻克：蓝牙5.0规格变化让物理层测试更加复杂

蓝牙(Bluetooth)5.0在低功耗(LE)方案中增加了速度和灵活性，其数据传输量是4.2版的两倍，最大突发速率从1Mb/s一举提升到2Mb/s。为提高通用性，现在可以降低带宽使距离提高至原来的4倍，同时保持类似的功率要求。由于设备收发数据的距离提高至4倍，家庭自动化和信息安全产品设计人员在产品设计中可望覆盖整个家、整栋楼或整个小区。不过，蓝牙5.0功能增加的同时，也带来了新的测试需求，特别是在物理层(PHY Layer)。

蓝牙5.0更高效地利用日益拥挤的2.4GHz频段中的广播信道，完成任务所需的广播时间更少。由于改善了广播通道，开发人员可以创建基于体验的应用，在物理世界和虚拟世界之间搭起一座桥梁。

据蓝牙SIG发布的数据，蓝牙5.0将提供广播传输增加多得多的容量。这意味着它可以把更多的信息传送到其他兼容设备，而不会形成实际连接，从而加快互动速度。它扩展了广播，把广播数据从三种传统广播信道卸除到全套数据信道，以实现更多的频率分集，如图1所示。较大的255字节数据封包实现了新的阈值功能，如资产追踪，同时能够向下兼容利用之前蓝牙规范开发的产品。

图1 在2.4GHz频段中，蓝牙5.0的广播信道落在Wi-Fi信道之间。

并不是每个应用都要求相同的距离、速度或广播功能，蓝牙5.0让产品开发人员能够对自己的实现方案做出最好的选择。由于广播消息容量提高至v4.2版本的8倍，同时支持更多的数据封包(从31字节变为255字节)，蓝牙SIG估计蓝牙5.0现在可以用于超出一个房间、甚至超出一座房子的物联网(IoT)连接。该单位并预测，到2020年，在所有物联网设备中，33%以上的设备将内建蓝牙功能。

1.蓝牙物理层变化

蓝牙5.0在低功耗标准中新增了两种模式。第一种模式的符码率(symbol rate)是现有的1Msps低功耗标准的两倍，称为LE 2M PHY(以前的标准现在称为LE 1M PHY)。LE 1M和LE 2M PHY都属于所谓的低公耗未编码物理层标准，因为它们内部都没有纠错编码阶段。

第二种模式称为低功耗编码物理层标准。低功耗编码物理层标准有两种编码方式：S=8和S=2，其中S是每个位的符码数。除循环冗余校验(CRC)以外，还有卷积编码及映像，提高了冗余度，减少了出错的机会。结果，编码的信息可以传送更远的距离，因为在需要时可以进行检测和校正。表1汇总了不同的调变和编码方式，以及得到的数据速率。

表1 蓝牙5.0物理层调变和编码方式，以及得到的数据速率。

图2和图3显示了低功耗编码方式与未编码方式在处理数据净荷时有哪些不同，这两者都要进行CRC生成和白化。对于低功耗编码物理层标准，净荷要经过前向纠错(FEC)和码型映射。卷积FEC编码器使用非系统、非递归速率.代码，限定长度K=4，编码器为每个输入位生成两个输出位，并经过卷积FEC编码器，编码器生成的两个输出位进一步映像。如果S=2，那么它们不会有任何变化，而对S=8，0映射到0011，1映射到1100。这是为低功耗编码物理层标准S=8中每一个输入位创建8个位的方式。

图2 低功耗未编码物理层的净荷位处理。

图3 低功耗编码物理层标准中的码流处理增加了许多低功耗未编码物理层标准中不要 求的步骤。

低功耗编码物理层标准规定的封包格式也用于广播信道封包和数据信道封包。整个封包使用1Msym/s的符码率传送，每个封包都由前置码、FEC码组1和FEC码组2组成，如图4所示。

图4 蓝牙5.0低功耗编码封包的内容。

前置码不进行编码。FEC码组1由三个字段组成：接入地址、编码指示符(CI)和TERM1。码组采用S=8编码方式，最终符号数量始终相同。

CI字段决定了FEC码组2使用哪种编码方式。FEC码组2由三个字段组成：PDU、CRC和TERM2，它们采用S=2或S=8编码方式，具体视CI域值而定。CI字段只是一个两位字段，用来区分S=2方式和S=8方式。

协议数据单元(PDU)的长度在2~256字节之间。因此，最小的封包长度是462μs(如果把S=2最后一行中的所有值加起来，那么PDU仅2个16字节)，最大封包长度是17,040μs(由S=8获得，PDU为257字节)。

2蓝牙5.0测试

被测组件需要进行大量的测量，以确定其在发送端满足蓝牙规范，以下对此进行了详细的介绍。可使用配备蓝牙5.0分析软件的中档频谱分析仪执行这些测试。

频带内辐射：这项测试检验蓝牙传输的频带内频谱辐射是否落在极限范围内。极限值已经修改，以适应LE 2M PHY。低功耗编码物理层标准的极限以1Ms/s运行，其极限行与LE 1M PHY相同。80MHz的整个蓝牙频段被分成80个信道，每个信道宽1MHz，然后计算每个频段中的积分功率。设备在中心频率为M的RF信道上传送信息，1MHz带宽邻道的中心频率用N表示。对LE 1M，偏置2MHz频段中的积分功率应小于-20dBm，偏置3MHz或以上频段中的功率应小于-30dBm。对LE 2M，极限比较从任一侧的4MHz频率偏置开始(而不是2MHz)，对偏置4MHz和5MHz的频段，积分功率预计小于-20dBm；只有对超过6MHz的偏置，才会设定小于-30dBm的更严格的要求。

在图5中，可以看到，每1MHz会计算LE 2M功率，用蓝线表示。大家还会注意到，标准建议了三个极限：±4MHz、±5MHz和±.6MHz。

图5 每1MHz计算LE 2M功率，用蓝线表示。

调变特性：蓝牙采用的调变方式是高斯频移键控(GFSK)，带宽位周期乘积BT=0.5，调变指数必须位于0.45~0.55之间。这一测试检验已知测试码型的频域是否位于指定极限范围内，测量使用特定测试码型。在以前的蓝牙版本中，使用的码型是0x0F(00001111)和0x55(01010101)，然后用标准规定的方式计算每个位间隔中的频率偏差。在蓝牙5.0中，LE 2M PHY测试通过/失败的极限已经变化，因2Msps调变方式的频率偏差不同，LE 2M PHY的这些极限翻了一倍。对LE编码规范(S=8)，测量码型不同。第一个码透过全部赋值1来生成，在编码和映像后，码型变成00111100。如果编码器和映像器的输入码型全是0，则生成第二个码型00110011，标准还规定，这个测量从第33个符码开始。

稳定的调变特性：这是一项新指标，以前的蓝牙测试规范中没有。低功耗设备配备拥有稳定调变指数的发射器，可以利用功能配套机制把这种情况告诉接收的低功耗设备。这些发射器的调变指数在0.495~0.505之间，如果适用于其支持的所有LE发射机物理层，那么设备应只指明发射器具有稳定的调变指数。如果发射器没有稳定的调变指数，但仍在理想的调变指数0.5的1%裕量范围内，那么可称其有标准调变指数。

频率偏置和漂移：透过在由1和0码型交替的指定间隔中求频率偏差平均值，可以计算频率偏置。以前低功耗标准中的间隔时长为10位或10μs，这种频率偏置在前置码和净荷中计算，然后计算这些频率偏置在50μs间隔中(相距5个间隔)的漂移。对LE 2M PHY，间隔仍为10μs，但由20字节成，而不是10(因为是2Msps)，漂移测量仍分5组进行或相距5个间隔时长。对低功耗编码物理层标准，会选择16位间隔，而不是10，然后相距3个间隔时长(48μs)计算漂移，因为码型是00110011。

20dB带宽：测量带宽，直到频谱下跌到比峰值功率低20dB的点。输出功率：计算整个封包的功率。

深入蓝牙分析：除上述测量外，一些蓝牙分析软件提供了与测试讯号有关的额外信息。这些分析可以显示调试和优化目标应用的性能，包括：• 译码后的封包信息，即已经译码的所有包头和封包信息；• 所有测量的摘要或截图及译码后的封包信息；• 多个显示画面，显示频率偏差随时间变化，在调试或解释调变图和漂移测量时使用；• 漂移表，显示10位间隔中计算的频率偏置及50μs中的漂移(相距5个间隔时长)；• 星座图、眼图和符号表显示。

3实现

在蓝牙应用使用实时频谱分析仪也很有用，它可以显示隐藏在宽带噪声下的问题，而用其他仪器看不到这些问题。图6(右)显示了扫频分析仪在40MHz扫描中看到的内容，以及实时频谱分析仪(左)看到的内容。

图6 实时频谱分析仪可以显示传统扫频分析仪漏掉的隐藏问题。

蓝牙5.0较4.2 LE作出了全面改进。透过密切关注测试测量策略，你设计的设备将能够利用新标准提供的每一个优势。