CK西可通信技術設備 河源 有限公司 藍牙基礎技術培訓 編寫 工程部2006 06 09 第一章 藍牙簡介 概述 藍牙 是一種開放的技術規范 它可在世界上的任何地方實現短距離的無線語音和數據通信 藍牙技術的發展 1994年 愛立信移動通信公司開始研究在移動電話及其附件之間實現低功耗 低成本無線接口的可行性 隨著項目的進展 愛立信公司意識到短距無線通信 ShortDistanceWirelessCommunication 的應用前景無限廣闊 愛立信將這項新的無線通信技術命名為藍牙 Bluetooth Bluetooth取自10世紀丹麥國王HaraldBluetooth的名字 愛立信意識到要使這項技術最終獲得成功 必須得到業界其他公司的支持與應用 1998年5月 愛立信聯合諾基亞 Nokia 英特爾 Intel IBM 東芝 Toshiba 這4家公司一起成立了藍牙特殊利益集團 SpecialInterestGroup SIG 負責藍牙技術標準的制定 產品測試 并協調各國藍牙的具體使用 藍牙技術的特點 藍牙是一種短距無線通信的技術規范 它最初的目標是取代現有的掌上電腦 移動電話等各種數字設備上的有線電纜連接 在制定藍牙規范之初 就建立了統一全球的目標 向全球公開發布 工作頻段為全球統一開放的2 4GHz工業 科學和醫學 Industrial ScientificandMedical ISM 頻段 從目前的應用來看 由于藍牙體積小 功率低 其應用已不局限于計算機外設 幾乎可以被集成到任何數字設備之中 特別是那些對數據傳輸速率要求不高的移動設備和便攜設備 藍牙技術的特點可歸納為如下幾點 1 全球范圍適用 藍牙工作在2 4GHz的ISM頻段 全球大多數國家ISM頻段的范圍是2 4 2 4835GHz 使用該頻段無需向各國的無線電資源管理部門申請許可證 2 同時可傳輸語音和數據 藍牙采用電路交換和分組交換技術 支持異步數據信道 三路語音信道以及異步數據與同步語音同時傳輸的信道 每個語音信道數據速率為64kbit s 語音信號編碼采用脈沖編碼調制 PCM 或連續可變斜率增量調制 CVSD 方法 當采用非對稱信道傳輸數據時 速率最高為721kbit s 反向為57 6kbit s 當采用對稱信道傳輸數據時 速率最高為342 6kbit s 藍牙有兩種鏈路類型 異步無連接 ACL 鏈路和同步面向連接 SCO 鏈路 3 可以建立臨時性的對等連接 根據藍牙設備在網絡中的角色 可分為主設備 Master 與從設備 Slave 主設備是組網連接主動發起連接請求的藍牙設備 幾個藍牙設備連接成一個皮網 Piconet 時 其中只有一個主設備 其余的均為從設備 皮網是藍牙最基本的一種網絡形式 最簡單的皮網是一個主設備和一個從設備組成的點對點的通信連接 4 具有很好的抗干擾能力 工作在ISM頻段的無線電設備有很多種 如家用微波爐 無線局域網 WLAN HomeRF等產品 為了很好地抵抗來自這些設備的干擾 藍牙采用了跳頻 FrequencyHopping 方式來擴展頻譜 SpreadSpectrum 將2 402 2 48GHz頻段分成79個頻點 相鄰頻點間隔1MHz 藍牙設備在某個頻點發送數據之后 再跳到另一個頻點發送 而頻點的排列順序則是偽隨機的 每秒鐘頻率改變1600次 每個頻率持續625 5 藍牙模塊體積很小 便于集成 由于個人移動設備的體積較小 嵌入其內部的藍牙模塊體積就應該更小 如愛立信公司的藍牙模塊ROK101008的外形尺寸僅為32 8mm 16 8mm 2 95mm 6 低功耗 藍牙設備在通信連接 Connection 狀態下 有四種工作模式 激活 Active 模式呼吸 Sniff 模式保持 Hold 模式休眠 Park 模式Active模式是正常的工作狀態 另外三種模式是為了節能所規定的低功耗模式 7 開放的接口標準 SIG為了推廣藍牙技術的使用 將藍牙的技術標準全部公開 全世界范圍內的任何單位和個人都可以進行藍牙產品的開發 只要最終通過SIG的藍牙產品兼容性測試 就可以推向市場 8 成本低 隨著市場需求的擴大 各個供應商紛紛推出自己的藍牙芯片和模塊 藍牙產品價格飛速下降 第二章 藍牙的基礎知識 1 2 4GHzISM頻段 ISM頻段 IndustryScienceandMedicalBand 工業 科學 醫學 信道數 79個 0 78 范圍 2 402GHz 2 480GHz信道間隔 1MHz 2 調制方式 GFSK 載波向上頻移157kHz表示 1 向下頻移157kHz表示 0 速率是1Mbit s BT 0 5 0 5是將數據濾波器的 3dB帶寬設定在500kHz 可以限制射頻占用的頻譜 調制指數 0 28 0 35采用跳頻技術1600H s T 625 s采用時分復用多路訪問技術 TDD 語音信道采用連續可變斜率增量調制 CVSD 數據速率 1MBit sgross 分組交換或電路交換模式 異步數據和同步語音功率 Class1 20dBm withPA Class2 4dBm 6 4dBm Class3 0dBm 3 FH TDDChannel 625ms t t master slave 4 跳頻 slave master time 5 包的格式 接入碼 包頭 內容 72b 54b 0 2745b PREAMBLE SYNCWORD TRAILER 4 64 4 34 24 6 LSB MSB BCHLAPBRK 接入碼 包頭 AM ADDR HEC 3 1 8 AM ADDR TYPE FLOW ARQN slaveactivememberaddress payloadtype LCflowcontrol ACK NAK parameter information FLOW 1 ARQN 1 SEQN TYPE 4 SEQN retransmitordering HEC headererrorcheck 6 DH1 3 5分組結構 7 微微網 皮網 Master Slave Slave Slave Slave Slave Slave Slave 一個微微網可由8個藍牙設備組成 在同一個微微網中 主設備為所有的設備提供時鐘和跳頻同步序列 在同一個微微網中 所有的設備有同樣的跳頻序列 8 分散網 Master Slave Slave Slave Slave Slave Master 兩個或更多的微微網在重疊的區域可以建立特殊的呼叫 9 微微網的應用 一拖七 10 建立通信 Standby 缺省 Inquiry 查詢 unknownaddress Page 尋呼 knownaddress Connection Activepower 活動 Sniff 呼吸 Hold 保持 Park 休眠 Standby 等待加入一個微微網 Inquiry 邀請周圍的無線連接 Page 連接一個明確的無線鏈路 Connected 加入一個皮網 主設備或者從設備 第三章 藍牙的技術指標 一 發信機測試 目前的藍牙無線測試規范的版本為0 91版本 它定義了藍牙無線測試指標及其測試方法 藍牙無線測試配置包括一臺測試儀和被測設備 EUT EquipmentUnderTest 其中測試儀作為主單元 EUT作為從單元 兩者之間可以通過射頻電纜相連也可以通過天線經空中傳輸相連 測試儀發送LMP指令 激活EUT進入測試模式 并對測試儀與EUT之間的藍牙鏈路的一些參數進行配置 如測試方式是環回還是發送方式 是否需要進行跳頻 分組是單時隙分組還是多時隙分組 分組的凈菏是PN9 還是00001111 01010101 測試模式是一個特殊的狀態 出于安全的考慮 EUT必須首先設為 Enalle 狀態 然后才能空中激活進入測試模式 1 輸出功率 測試儀對初始狀態設置如下 鏈路為跳頻 EUT置為環回 Loopback 測試儀發射凈荷為PN9 分組類型為所支持的最大長度的分組 EUT對測試儀發出的分組解碼 并使用相同的分組類型以其最大輸出功率將凈荷回送給測試儀 測試儀在低 中 高三個頻點 對整個突發范圍內測量峰值功率和平均功率 規范要求峰值功率和平均功率各小于23dBm和20dBm 并且滿足以下要求 如果EUT的功率等級為1 平均功率 0dBm 如果EUT的功率等級為2 6dBm 平均功率 4dBm 如果EUT的功率等級為3 平均功率 0dBm 2 功率密度 初始狀態同 1 測試儀通過掃頻 在2400MHz頻帶范圍內找到對應最大功率的頻點 然后以此頻點進行時域掃描 掃描時間為1分鐘 測出最大值 要求小于20dBm 100kHz 3 功率控制 初始狀態為環回 非跳頻 EUT分別工作在低 中 高三個頻點 回送調制信號為PN9的DH1分組 測試儀通過LMP信令控制EUT輸出功率 并測試功率控制步長的范圍 規范要求在2dB和8dB之間 4 頻率范圍 初始狀態同 3 測試儀對EUT回送的凈荷為PN9的DH1分組掃頻測量 當EUT工作在最低頻點時 測試儀找到功率密度下降為 80dBm Hz時的頻點fL 當EUT工作在最高頻點時 測試儀找到功率密度下降為 80dBm Hz時的頻點fH 對于79信道的系統 要求fL fH位于2 4 2 4835GHz范圍內 5 20dB帶寬 初始狀態同 3 EUT分別工作在低 中 高三個頻點 回送調制信號為PN9的DH1分組 測試儀掃頻找到對應最大功率的頻點 并且找到其左右兩側對應功率下降20dB時的fL和fH 20dB帶寬Df fH fL 要求Df小于1MHz 6 相鄰信道功率 初始狀態同 3 EUT工作頻點分別為第3信道 第39信道和第75信道 回送凈荷為PN9的DH1分組 測試儀掃描整個藍牙頻段 測試各個信道的功率 要求相鄰第2道的泄漏功率小于 20dBm 相鄰第3道及其以上的泄漏功率小于 40dBm 7 調制特性 初始狀態同 3 EUT分別工作在低 中 高三個頻點 測試儀以所支持的最大分組長度發送凈荷為11110000的分組 并對EUT回送的分組計算頻率偏移的峰值和均值 分別記為Df1max和Df1avg 測試儀以所支持的最大分組長度發送凈荷為10101010的分組 并對EUT回送的分組計算頻率偏移的峰值和均值 分別記為Df2max和Df2avg 要求滿足以下條件 至少99 9 的Df1max滿足140kHz115kHz Df2avg Df1avg 0 8 8 初始載波容限 EUT為環回狀態 回送凈荷為PN9的DH1給測試儀 測試儀先將鏈路置為非跳頻 EUT分別工作在低 中 高三個頻點 然后測試儀再將鏈路置為跳頻 測試儀根據4個前導碼計算載波頻率f0 要求與標稱頻率fTX的差小于75kHz 9 載波頻率漂移 初始狀態同 3 EUT分別工作在低 中 高三個頻點 回送調制信號為10101010的DH1 DH3 DH5分組 測試儀先根據4個前導碼計算載波頻率f0 然后每10比特凈荷測試一次頻率 其與初始載頻的差為瞬時頻率漂移 最后測試儀將跳頻打開 重新測試所有頻點下的瞬時頻率漂移 瞬時頻率漂移之間的差定義為漂移速率 對于DH1分組 要求每次的瞬時漂移小于25kHz 對于DH3 DH5分組 要求載波瞬時漂移小于40kHz 規范還要求載波漂移速率小于4000Hz 10 s 二 收信機測試 對于收信機測試來說 所有指標的測試都是基于誤比特率的統計 并且至少要統計1600000個比特 眾所周知 在誤幀率較大的情況下統計誤比特率沒有任何意義 因此 為了準確測試收信機的性能 測試儀必須能測試由以下6種情況導致的FER CRC誤差 不正確的凈荷長度 同步字出錯 HEC出錯 EUT給MT8850A回送NACK分組 在預期的時隙內沒有收到EUT發送的分組 下面介紹藍牙收信機的測試 1 單時隙靈敏度 初始狀態同1 1 3 EUT分別工作在低 中 高三個頻點 回送調制信號為PN9的DH1分組 依照藍牙規范的要求 測試儀控制其輸出功率 以使EUT的收信功率為 70dBm 藍牙規范允許EUT發送的射頻信號具有75kHz的初始誤差和40kHz的頻率漂移 即總共允許有115kHz的誤差 此外 還要考慮調制 符號定時等引起的誤差 假如EUT的收信機性能由一個輸出 完美 信號的測試儀來測試 其測試結果不足以提供冗余度來適應真正的無線傳輸環境 用戶將得到一個關于收信機質量的錯誤結果 經驗告訴我們 對于有擾測試 藍牙收信機的靈敏度一般會劣化4 10dB 具體值與分組長度和藍牙芯片種類有關 測試儀必須支持有擾發射 dirtytransmitter 見表1 將干擾加入到發送的藍牙信號中 每20ms一組 從第一組依次到第十組 再返回第一組 不斷重復 此外 藍牙基帶信號還受一正弦波調制 測試儀對誤碼率進行統計 要求誤碼率BER 0 1 此外 如果有條件的話 最好在跳頻狀態下再重新測試一遍 2 多時隙靈敏度 類似于單時隙靈敏度的測試 不過分組類型為DH3 DH5 3 C I性能 初始狀態同1 1 3 EUT分別工作在低 中 高三個頻點 測試儀發送的有用信號為凈荷PN9的DH1分組 同時還發送凈荷PN15的藍牙干擾信號 有用信號和干擾信號的功率電平參見表2 測試儀進行誤碼率統計 要求BER 0 1 4 阻塞性能 阻塞特性是指在其它頻段存在大的干擾信號時 接收機接收有用信號的能力 初始狀態同1 1 3 EUT收發頻點為2460MHz 58號信道 測試儀不僅發送凈荷為PN9的DH1分組作為有用信號 而且發送頻率為30MHz到12 75GHz之間的連續波干擾信號 有用信號的功率電平比參考靈敏度高3dB 參考靈敏度是指滿足一定的誤碼率情況下 接收機可以接收的最小電平 干擾信號的電平比表3給出的大2dB 測試儀統計誤碼率 如果BER 0 1 則測試儀記錄此時干擾信號的頻點 要求頻點的個數小于24 其他條件不變 僅把干擾信號的電平降為 50dBm 測試儀記錄BER 0 1 時的干擾信號的頻點 要求其個數小于5個 5 互調性能 互調特性是指存在