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蓝牙收发器transceiver IC测试

作者:时间:2012-04-17来源:网络收藏

规范的第一个正式版本1.0版已于1999年7月发布,之后许多厂商都推出了支持产品的高性价比集成电路芯片。随着产品越来越普及,制造商需要以较低的成本完成大量测试工作。本文针对蓝牙射频前端,着重介绍蓝牙技术规范中定义的各类测试参数。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/194036.htm

今天的电子工程师几乎没有人没听说过“蓝牙”的概念,这个词出自公元10世纪丹麦国王Harald Blaatand,他为了联系他的臣民曾在挪威和丹麦建立了一个通信系统。开发蓝牙技术是为了使个人数字助理(PDA)、移动电话外设及其它移动计算设备不必使用昂贵的专用线缆就可以进行通信,正因为此,蓝牙又被称作“个人区域网络(PAN)”。对蓝牙产品来说,最基本的要求是低价格、高可靠性、低能耗和有限工作范围。

最初蓝牙定义为采用全球适用的2.4GHz ISM频段进行短距离通信(10至15米),不过最近芯片制造商的不断提高使蓝牙技术远远超出当初的设计水平,一些OEM制造商希望能在20到30米办公室环境和100米开放环境下使用蓝牙技术,他们期待将蓝牙作为网络连接技术,使笔记本电脑用户通过无线接入点进入到局域网中。

蓝牙技术由4个主要部分组成,分别是应用软件、蓝牙栈、硬件和天线,本文针对硬件和射频前端,重点介绍蓝牙技术规范中定义的各类测试参数。

蓝牙

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对集成RF的测试要求可以典型的RF蓝牙原理框图(图1)来说明。

◆蓝牙发射器蓝牙无线信号采用高斯频移键控(GFSK)方式调制,发射数据(Tx)通过高斯滤波器滤波后,用滤波器的输出对VCO频率进行调制。根据串行输入数据流逻辑电平,VCO频率会从其中心频率向正负两端偏离,偏移量决定了发射器的调制指数,调制的信号经放大后由天线发射出去。

蓝牙无线信号在半双工模式下工作,用一个RF多路复用开关(位于天线前)将天线连接到发射或接收模式。

◆蓝牙接收器与设备接收部分相似,从另一个蓝牙设备发射来的GFSK信号也是由天线接收的。在这期间,开关与低噪声放大器(LNA)相连,对接收到的信号(Rx)进行放大。下一级混频器将接收信号下变换到IF频率(一般为几MHz),进行该步骤时用于发射的PLL/VCO部分作为接收器下变频本机振荡器使用,将IF信号解调并恢复出数据。

扩展频谱

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蓝牙无线通信的一个独特之处就是它使用了扩频技术,该技术原来是为军事应用开发的,因为军事应用中无线数据传送必须安全可靠。传统意义上的窄带应用要消耗更多功率,在一个频率上停留的时间很长,因此频谱很容易被检测到;而将发射器功率分配(扩展)到更大的带宽上之后,此时信号看起来更像随机噪声,这相当于牺牲带宽效率来换取可靠性和安全性。由于功率密度较低,这些系统对其它信号接收器干扰小,而且即便存在信号丢失频段,数据也可以在其它频率恢复,从而增强了对干扰和噪声的抵抗能力。两种最主要的扩频形式是跳频(FHSS)和直接序列(DSSS),用原始数据对载波进行调制并使用与每个链路端点跳频代码一致的频率范围发射时(图2)使用FHSS系统。采用这种方式后,由于某个频率干扰而丢失的数据可以通过另一个频率发射,FHSS中的扩展代码生成器直接用GFSK调制技术对载波频率进行调制。

GFSK调制

GFSK是一项调制技术,它在一个比特持续时间内由数据线性修改载波周期部分载波频率,频率变换速率是数据率的函数,频率变换大小是数据幅值的函数,它们之间的相互关系以调制指数β来表示。

FSK信号调制指数β由下面公式计算:

β=2Δf/fi

此处fi是以赫兹表示的数据频率(对蓝牙来说典型值为1MHz),Δf是载波的频偏。

如果选择140kHz作为蓝牙载波频偏,那么:

β=2Δf/fi=280kHz/1MHz=0.28且

FFSK=Acos(2πfc(t)+0.28π∫m(t)dt)

这里A是数字数据的振幅,m(t)是持续一个比特时间且直流电平为±1的数字数据。

可以用灵敏度为140kHz/V的压控振荡器作为FSK调制器,其β=0.28,通常要让输入数据流经过限制器以确保电路频差为140kHz。

载波频偏(发射模式)取决于输入数据流的振幅,反过来也一样成立,解调后载波的数据振幅是载波偏差(接收模式)的函数,这一点对系统误码率(BER)是很重要的。

BER是每个发射比特相对于每比特所包含噪声功率的函数,它们之间关系用Eb/No表示,即每个比特的功率噪声比。可通过减少接收器噪声或提高发射功率来改善Eb/No,也可提高每个发射比特的功率改善Eb/No。提高载波频偏能增加每个发射比特的功率,从而提高Eb/No并降低比特出错率;但其负面影响是提高频偏会导致增加频宽,降低系统的信道数量。

有效的通信要求有一个最小误码率,蓝牙技术指标规定为在72dBm时BER为0.1%,即每1,000比特的数据流中有1个错误。一致性规范要求测得的灵敏度(作为BER)在三个频率上超过160万比特,由于该项测试使用标准单隙(DH1)数据包进行,至少需要25秒,所以为节约时间,实际应用中即使频率数量减少,也只测量较少比特数。

蓝牙测试规范

蓝牙标准对RF载波调制数据要求规定如下:

·调制方式: 高斯频移键控(GFSK) ·高斯滤波器: 0.5 ·输出功率: 0dBm和+20dBm ·数据速率: 1Mb/s ·信道带宽: 1MHz ·频偏(Δf): 140kHz~175kHz(调制指数0.28~0.35) ·误码率(BER)灵敏度:0.1% @ -72dBm

蓝牙定义将1mW或0dBm作为标称系统,发射功率峰值不超过20dBm,这样设计是为了进行短程操作且不会干扰其它无线系统,在1MHz带宽(载波间隔为1MHz)使用高斯过滤频移键控(GFSK)调制。美国和欧洲(法国与西班牙除外)有79个1MHz信道,法国、西班牙和日本在2.4GHz范围仅有23个1MHz信道。


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