蓝牙收发器IC测试

蓝牙收发器IC测试

     摘要：蓝牙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蓝牙产品的高性价比集成电路芯片。随着蓝牙产品越来越普及，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收发器，着重介绍蓝牙技术规范中定义的各类测试参数。
    
     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收发器，重点介绍蓝牙技术规范中定义的各类测试参数。
    
     蓝牙收发器
    
     对集成RF收发器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
    
     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。
    
     蓝牙收发器测试规范
    
     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。
    
     图3显示了7个连续时间间隔使用DH1、DH2和DH5包的包时序协议，由于发射和接收包长度都相同，所以DH1有一个对称链接，收发器在偶数时间间隔发射数据而在奇数时间间隔接收数据。DH3使用3个时间间隔，DH5用5个，DH3和DH5包的有效载荷比较长，由于协议的开销是固定的(存取编码+报头)，所以可提供更高数据流量。
    
     对于发射器来说，以下是一些比较重要的测试参数：
    
     ·调制载波功率 ·-20dB带宽 ·载波频率容差 ·发射器频率偏移 ·调制指数 ·发射器设置时间 ·发射器邻信道泄漏功率
    
     图4是收发器处于发射模式时的典型测试设置条件，收发器设置为测试-20dB带宽参数，采用蓝牙设备的电源供电，PLL/VCO利用所要求的数字模式在上述蓝牙信道(2.4～2.5GHz)进行编码，当设备在该信道编码完成后，将有一个预先规定的等待时间以便将VCO设置到编码载波频率。
    
     然后把PLL放入开环中，这样就可进行调制并将伪随机位序列(PRBS)数据提供给Tx数据引脚。用一个RF端口将RF接收器连接到蓝牙发射器天线上，在数字模式一段预定义时间之后，RF接收器将被触发开始接收发射信号，并对微波接收器收到的数字采样执行快速傅立叶变换。对于被捕获的信号，则在GFSK信号两边搜索载波频率和频率部分的功率，即从编码载波频率中减去20dB，然后计算出带宽。
    
     和发射部分类似，一些比较重要的接收测试参数包括：
    
     ·接收器灵敏度 ·同频干扰 ·相邻频道干扰 ·内调制 ·最大输入电平
    
     在测试接收器灵敏度参数时，图4也用于对收发器进行设置(接收模式)。干扰信号测试的参数与灵敏度测试类似，但前者还含有干扰调制信号。同频干扰、相邻频道干扰和内调制测试设置等需要用到使用双音RF合成器的额外RF调制源。
    
     为了给灵敏度测试生成调制载波，需要创建一个PRBS数据流并存在测试程序阵列中。IF载波采用数学GFSK调制器以随机位流进行调制，IF调制信号来自VHF波形生成器，并由RF源上变频成Rx测试频率，然后将该信号通过RF端口接到被测设备上。
    
     被测设备对调制的RF信号进行解调并将位流送到Rx数据引脚，再用数字采样仪器收集，把收集到的数据与原始PRBS数据比较，在调制时使用并计算出误码率(BER)，接收器灵敏度测试将测量不同输入功率的BER。
    
     随着蓝牙IC产量的不断增大，测试可能会成为制造过程中非常耗费成本的一个工序，能满足要求且最经济的方法就是在非常短的时间内完成各种测试，自动测试设备(ATE)是提供经济测试方案的最佳选择。测试仪器必须具备高质量前端设计并具有足够的灵活性以满足各种测试要求，测试仪的RF信号源设置时间应比被测设备的更短，数字子系统则必须先进以适应混合信号RF设备严格的数字性能要求。另外测试仪器还应有高速、高分辨率DSP器件，以便从蓝牙器件和功能强大的DSP引擎获取信号，满足每次测试的处理需求。
    
     作者：Nelson Lee T K
     测试技术主管
     ST Assembly Test Services Ltd.