現(xiàn)今的Bluetooth無(wú)線(xiàn)電設(shè)計(jì)?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(jì)的配置為何，在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的過(guò)程中都必須設(shè)法解決下列幾個(gè)問(wèn)題：

• 全球的法規(guī)需求

• Bluetooth技術(shù)認(rèn)證

• 簡(jiǎn)單、高良率的制造與測(cè)試

• 與其他廠(chǎng)商的設(shè)計(jì)達(dá)到完美的相互操作性，他們的設(shè)計(jì)當(dāng)中有些可能僅勉強(qiáng)符合Bluetooth規(guī)格而已

在以下的篇幅中，我們將檢視設(shè)計(jì)的一些不同特性、研發(fā)測(cè)試的意涵、以及可讓開(kāi)發(fā)工作變得更容易的工具。接著，我們會(huì)說(shuō)明如何執(zhí)行這些量測(cè)，并討論可預(yù)期的一些量測(cè)價(jià)值。

Bluetooth RF技術(shù) – 概要

Bluetooth裝置會(huì)在2.402到2.48 GHz的ISM頻帶內(nèi)操作，通常是在79個(gè)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(lái)互相進(jìn)行通訊。這表示載波會(huì)以每秒100萬(wàn)個(gè)符號(hào)（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(gè)裝置間的通訊屬于分時(shí)雙工（TDD），意思是發(fā)射器和接收器依次在不同的時(shí)槽交替進(jìn)行傳輸。此外，還使用高達(dá)1600 hops/s的超快跳頻模式，來(lái)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(huì)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(shí)序

圖1顯示在625µs的時(shí)槽中，傳送和接收一個(gè)366µsDH1封包的可能時(shí)序。在下方軌跡可以看到安定時(shí)間間隔。在這個(gè)間隔中，裝置必須跳至下一個(gè)通道頻率，而電壓控制振?器（VCO）必須及時(shí)安定，以便發(fā)射或接收封包資料。請(qǐng)注意，封包的開(kāi)頭與RF叢發(fā)的上升緣并沒(méi)有直接的相關(guān)，這可以從代表可能的替代上升緣之虛線(xiàn)看出來(lái)。叢發(fā)的上升緣也與時(shí)槽的開(kāi)頭無(wú)關(guān)。

所有的封包資料都傳送出去之后，設(shè)計(jì)可能會(huì)立刻降低功率，或等到接近時(shí)槽末端才降低功率。

圖2. 直接調(diào)頻的VCO，類(lèi)比?頻器

圖2所示的Bluetooth范例中的接收器?丫種皇褂靡桓魷倫??。（灰?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(huì)提高一倍，而且會(huì)在接收與發(fā)射功能間切換。使用FSK可以對(duì)VCO進(jìn)行簡(jiǎn)單的直接調(diào)變?；l資料會(huì)通過(guò)高斯濾波器，并在固定的時(shí)序延遲及沒(méi)有過(guò)擊的情況下進(jìn)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(huì)非常高，故可限制濾波器元件的實(shí)體大小，并確保IF頻率距離LO頻率夠遠(yuǎn)，以達(dá)到滿(mǎn)意的影像斥拒。

當(dāng)位準(zhǔn)夠高而能過(guò)載接收器的輸入時(shí)，可以使用天線(xiàn)交換。

功率–T- 輸出放大器是一個(gè)選項(xiàng)，使用它可以提高Class 1（+20 dBm）輸出版本所需的功率。位準(zhǔn)準(zhǔn)確度的規(guī)格并不嚴(yán)苛，但必須小心避免產(chǎn)生過(guò)多的功率輸出，并確保電池不會(huì)發(fā)生非必要的消耗。

不論設(shè)計(jì)提供+20 dBm或較小的值，接收器都必須準(zhǔn)備好提供接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)（RSSI）資訊，以使不同功率等級(jí)的裝置可以相互操作。設(shè)計(jì)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(dá)到。

有別于DECT或GSM等TDMA系統(tǒng)，Bluetooth頻譜測(cè)試并不會(huì)被閘控，以區(qū)隔功率控制和調(diào)變錯(cuò)誤。量測(cè)間隔必須夠長(zhǎng)，才能擷取上下變換與調(diào)變所造成的效應(yīng)。實(shí)際上，這可能不會(huì)造成認(rèn)證問(wèn)題，但時(shí)閘量測(cè)可能會(huì)因?yàn)榫邆溲杆僬页鲨Υ玫哪芰Χ兊梅浅Ｖ匾?/p>

如圖3所示，有一些設(shè)計(jì)會(huì)在調(diào)變開(kāi)始之前，利用非指定的?期來(lái)準(zhǔn)備接收器。在此范例中，既不會(huì)發(fā)射1，也不會(huì)發(fā)射0。

圖3. 在FM前所應(yīng)用的功率

頻率錯(cuò)誤 – Bluetooth規(guī)格中的所有頻率量測(cè)，都有賴(lài)于4µs或10µs的短閘?期，這會(huì)造成結(jié)果的差異，我們可以透過(guò)幾種方式來(lái)理解。第一，較窄的時(shí)窗代表量測(cè)頻寬的截止頻率較高，因此會(huì)在量測(cè)中包含各種雜訊結(jié)構(gòu)。第二種方法是考慮錯(cuò)誤結(jié)構(gòu)，例如量測(cè)裝置的量化錯(cuò)誤或振?器旁帶雜訊，它們?cè)诙?期中產(chǎn)生的比例會(huì)高過(guò)于較長(zhǎng)的量測(cè)間隔，因?yàn)樵诤笠环N情況中，這些錯(cuò)誤往往會(huì)被平均掉。除了晶體參考所造成的靜態(tài)錯(cuò)誤之外，在設(shè)計(jì)限制中還必須考慮到這項(xiàng)事實(shí)。

頻率漂移 – 漂移量測(cè)將短期、10位元的相鄰資料組，與長(zhǎng)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(jì)，則此設(shè)計(jì)所造成的錯(cuò)誤可能會(huì)很明顯。在其他的設(shè)計(jì)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(shí)是確認(rèn)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(shí)將它開(kāi)啟，或使用相位錯(cuò)誤更正（兩點(diǎn)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(lái)調(diào)整合成器的除頻比，否則就應(yīng)校驗(yàn)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(rèn)證測(cè)試的典型調(diào)變模式。

圖4a & 4b. 用于認(rèn)證測(cè)試的調(diào)變模式

Bluetooth RF規(guī)格會(huì)檢查11110000和10101010兩個(gè)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(gè)位元之后達(dá)到最大，第一個(gè)碼型會(huì)檢查這一部份。GMSK濾波器的截止點(diǎn)和形狀，可利用第二個(gè)碼型來(lái)檢查。

理想上，1010碼型的峰值差異為11110000的88%，雖然有些設(shè)計(jì)因?yàn)樵诎l(fā)射時(shí)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(dāng)擁有圖7所示的方塊圖之系統(tǒng)未經(jīng)完整校驗(yàn)時(shí)，便可能發(fā)生此種情形。

頻內(nèi)頻譜 - ’-20dB’ 的測(cè)試確定調(diào)變與脈沖信號(hào)適合1 MHz的寬頻。圖5中的方塊可被想成限制時(shí)窗。設(shè)定10 kHz的解析頻寬，就是為了這個(gè)目的。因?yàn)檎穹}沖的關(guān)系，這項(xiàng)量測(cè)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(gè)?W率寬度????而非固定的遮罩。如果信號(hào)位于遮罩中間，結(jié)果會(huì)非常類(lèi)似。圖5的圓點(diǎn)是封包起始碼中的非資料0所造成的。

圖5. -20dB量測(cè)

相鄰?fù)ǖ懒繙y(cè)被指定為以一系列的隨機(jī)頻率量測(cè)來(lái)執(zhí)行。非閘控掃描是檢查這些問(wèn)題的快速而簡(jiǎn)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(xiàng)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(lái)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(dāng)它們可能影響到GPS接收器（L2 頻率為1222.7 MHz）或蜂巢式無(wú)線(xiàn)電裝置等co-sited功能的效能時(shí)。

圖6顯示一個(gè)不含次諧波，但卻產(chǎn)生高達(dá)9 GHz諧波的設(shè)計(jì)中的信號(hào)。這項(xiàng)量測(cè)可利用標(biāo)準(zhǔn)的頻譜分析儀來(lái)執(zhí)行。對(duì)研究工作來(lái)說(shuō)，可以使用較快的掃描時(shí)間，但仍然需要好幾秒鐘。如果選擇較長(zhǎng)的掃描時(shí)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(guò)后放大特定的取樣點(diǎn)。

圖6. 寬頻旁生

如圖7所示，有些設(shè)計(jì)會(huì)在發(fā)射與接收路徑中使用IQ混頻，優(yōu)點(diǎn)是可以提高電路整合的層次，并將信號(hào)處理工作交由類(lèi)比電路以外的數(shù)位信號(hào)處理。這個(gè)圖描述的是一種混合的方法。有一些設(shè)計(jì)會(huì)在前端加入影像斥拒混頻。較高層次的硅整合，使得它的價(jià)格更為便宜。

所有這些IQ階段的校驗(yàn)都必須仔細(xì)地說(shuō)明。雷達(dá)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(hào)。直接將IQ調(diào)變應(yīng)用到RF輸出，可能會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生令人意想不到的影響。不過(guò)，調(diào)變器的調(diào)校錯(cuò)誤并不會(huì)對(duì)頻率錯(cuò)誤造成任何影響，因?yàn)轭l率只是相位的改變率而已。然而要辨認(rèn)頻譜中的錯(cuò)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(cuò)誤，代表有振幅調(diào)變。這可以利用功率相對(duì)時(shí)間顯示圖來(lái)偵測(cè)，或使用向量分析儀來(lái)執(zhí)行更詳細(xì)的研究。

IQ調(diào)變器也可以用來(lái)形成功率上下變換的情形，并指出閘控量測(cè)可能產(chǎn)生的值。在接收鏈中，誤碼量測(cè)必須先經(jīng)過(guò)數(shù)位處理才能進(jìn)行。在接收器的混頻器輸出和ADC輸入間找出一個(gè)DC區(qū)塊，以便確認(rèn)零IF系統(tǒng)。像LO-RF回饋等瑕疵所產(chǎn)生的DC成份，會(huì)隨著輸入頻率而改變，必須妥善加以處理才行。通常會(huì)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(cè)出來(lái)。因此，旁帶抑制會(huì)是個(gè)問(wèn)題。旁帶的快速計(jì)算法：0.1 dB的增益錯(cuò)誤，或1度的相位錯(cuò)誤，會(huì)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(dāng)大范圍的信號(hào)。雖然只包含直接應(yīng)用的FSK的情況，可能無(wú)法保證額外的精密度，但在進(jìn)行IQ設(shè)計(jì)的過(guò)程中，或考慮到Bluetooth 2、蜂巢式或WLAN等其他格式時(shí)，這個(gè)引數(shù)將會(huì)改變。

為了?解元件的行為特性，從多個(gè)方向來(lái)分析元件是很重要的。圖8顯示以4種方式來(lái)檢視相同資料的范例。偏差檢視以快速的視覺(jué)方式，提供正確調(diào)變模式的確認(rèn)結(jié)果。眼圖和FSK錯(cuò)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(fù)載資料。

圖8. FSK的多種檢視

設(shè)計(jì)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(píng)估不同的電路拓樸之外，還有一些較先進(jìn)的工具能為接收器提供更多有效及有瑕疵的信號(hào)。

對(duì)Bluetooth技術(shù)來(lái)說(shuō)，這里蘊(yùn)藏了一些最大的RF挑戰(zhàn)。因?yàn)殡姵貢?huì)消耗，所以可測(cè)試限定位準(zhǔn)的壓縮效能之效應(yīng)，以及相位雜訊、差動(dòng)路徑損耗、信號(hào)瑕疵與干擾 – 包括鄰近發(fā)射器的效應(yīng)，這些會(huì)在Bluetooth單元耦合到行動(dòng)手機(jī)時(shí)發(fā)生。

最近的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，有兩個(gè)部份具備了很大的優(yōu)點(diǎn)。第一是數(shù)位信號(hào)生成與向量信號(hào)分析區(qū)塊的整合，可讓您交替進(jìn)行模擬與實(shí)際的測(cè)試。軟體產(chǎn)品與實(shí)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(gè)特色是設(shè)計(jì)指南，可以讓工具的設(shè)定自動(dòng)化。它讓使用者紛紛改用可進(jìn)行真實(shí)電路評(píng)估的設(shè)計(jì)軟體，來(lái)代替以特定無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的相關(guān)基本配置資訊來(lái)編程。

接收器測(cè)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(lái)很簡(jiǎn)單，但需要執(zhí)行一些校驗(yàn)。在分析設(shè)計(jì)特性的過(guò)程中，務(wù)必注意有些結(jié)果并不會(huì)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(huì)有一個(gè)限制值。延遲線(xiàn)路?頻器是另一種選擇，但需要進(jìn)行校驗(yàn)。

前端放大器的設(shè)計(jì)與測(cè)試必須專(zhuān)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(lái)動(dòng)態(tài)改變接收器鏈的增益，進(jìn)而優(yōu)化多余信號(hào)的斥拒。在信號(hào)產(chǎn)生器中使用同步的脈沖振幅調(diào)變，可能是對(duì)AGC系統(tǒng)的叢發(fā)至叢發(fā)響應(yīng)的一項(xiàng)值得進(jìn)行的測(cè)試，尤其是在軟體控制的情況下。圖9顯示測(cè)試隔離接收器的量測(cè)路徑。

圖9. 測(cè)試隔離接收器的量測(cè)路徑

測(cè)試接收器跳頻 - 前面曾經(jīng)提過(guò)，所有的Bluetooth設(shè)計(jì)中都會(huì)使用一個(gè)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(huì)造成它?轉(zhuǎn)。當(dāng)裝置以Bluetooth測(cè)試模式操作時(shí)，也可能發(fā)生這種情形。

在發(fā)射?期，可能會(huì)選擇接收測(cè)試頻率對(duì)面的ISM頻帶端，或其他任意一個(gè)點(diǎn)的頻率。VCO每一次都必須轉(zhuǎn)換回接收器頻率。請(qǐng)參閱圖10。

每個(gè)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(hào)源必須跳動(dòng)的跳頻BER測(cè)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(hào)產(chǎn)生器與待測(cè)元件的同步控制。

當(dāng)位元轉(zhuǎn)換成數(shù)位格式后，就可執(zhí)行BER測(cè)試了。執(zhí)行的方法有好幾種，表1列出了各種BER測(cè)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(cè)的方法

結(jié)語(yǔ)

Bluetooth技術(shù)使用快速跳頻（高達(dá)1600 hops/sec）的方法，并在2.4 GHz的頻率下操作。GFSK調(diào)變的運(yùn)用，以及寬松的接收器靈敏度需求，考慮到了簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)電設(shè)計(jì)。這些特性導(dǎo)致一些模組的出現(xiàn)，它們使用先前設(shè)計(jì)的系統(tǒng)所?裼玫募際酰??緡分薜?ECT標(biāo)準(zhǔn)。

不過(guò)，Bluetooth裝置較低的目標(biāo)價(jià)，迫使其他設(shè)計(jì)?裥姓?隙雀?叩牟煌?椒?。系桶V?系ゾ??⒆畹偷墓β氏?牧俊⒃鑾康母扇乓種?、壹s壩龐詮娓竦牧槊舳鵲饒勘輳?溝盟?納杓樸虢細(xì)咝?艿奈尷叩縞杓埔謊?瀆?頌粽叫浴１疚幕毓肆酥苯擁髕檔?CO設(shè)計(jì)與數(shù)位IQ技術(shù)的差異，以及它們對(duì)量測(cè)所造成的影響。文中說(shuō)明了Bluetooth調(diào)變特性量測(cè)如何驗(yàn)證Direct FM設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的信號(hào)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(wú)蹤。

此外，本文還說(shuō)明執(zhí)行?w定時(shí)間?市DBluetooth規(guī)格量測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。顯然無(wú)線(xiàn)電設(shè)計(jì)師必須取得完整的模擬與量測(cè)工具，才有可能完成一個(gè)可靠的Bluetooth設(shè)計(jì)。