现今的Bluetooth无线电设计采用一些系统结构，从使用模拟调变的传统IF系统，到数字IQ调变器／解调器配置不等。不论设计的配置为何，在开发产品的过程中都必须设法解决下列几个问题。

在以下的篇幅中，将检视设计的一些不同特性、研发测试的意涵以及可让开发工作变得更容易的工具。接着说明如何执行这些量测，并讨论可预期的一些量测价值。

Bluetooth RF技术概要

Bluetooth装置会在 2.402到 2.48 GHz 的 ISM频带内操作，通常是在 79 个信道上。这是利用一种名为0.5BT GFSK（高斯移频键控）的数字调频技术来互相进行通讯。此代表载波会以每秒100万个符号（或位）的速率上移157 kHz，以代表「１」，或下移以代表「0」。「0.5」将－3 dB的数据滤波器带宽限定为500 kHz，藉此为占用的RF频谱设下限制。

两个装置间的通讯属于分时双工（TDD），意思是发射器和接收器依次在不同的时槽交替进行传输。此外，还使用高达1600 hops/s的超快跳频模式，来提高显得拥挤频带内的链路之可靠度。假使最近的U.S. FCC规定预期频带的用量确定会增加，可靠度就会相对重要。

《图一 Bluetooh RF功率波射与VCO频率时序》

(图一)显示在625μs的时槽中，传送和接收一个366s DH1封包的可能时序。在下方轨迹可以看到安定时间间隔。在这个间隔中，装置必须跳至下一个信道频率，而电压控制振荡器（VCO）必须及时安定，以便发射或接收封包数据。需注意的是封包的开头与RF丛发的上升缘并没有直接的相关，此可从代表可能替代上升缘之虚线看出来。丛发的上升缘也与时槽的开头无关。所有的封包数据都传送出去之后，设计可能会立刻降低功率，或等到接近时槽末端才降低功率。

《图二 直接调频的VCO，模拟鉴频器》

(图二)所示的Bluetooth范例中之接收器布局仅使用一个下转换。（灰色方块是不同设计中省略或交换零件的部份）。像此设计只会使用一个本地振荡器。输出的频率会提高一倍，而且会在接收与发射功能间切换。使用FSK可以对VCO进行简单的直接调变。基频数据会通过高斯滤波器，并在固定的时序延迟及没有过击的情况下进行特性分析。脉波仅应用于发射器。使用sample-and-hold电路或相位调变器，可以防止锁相回路（PLL）去除带宽内的相位调变。中频通常会非常高，故可限制滤波器组件的实体大小，并确保IF频率距离LO频率够远，以达到满意的影像斥拒。当位准够高而能过载接收器的输入时，可以使用天线交换。

功率

输出放大器是一个选项，使用它可以提高Class1（＋20 dBm）输出版本所需的功率。位准准确度的规格并不严苛，但必须小心避免产生过多的功率输出，并确保电池不会发生非必要的消耗。

不论设计提供＋20dBm或较小的值，接收器都必须准备好提供接收信号强度指针（RSSI）信息，以使不同功率等级的装置可以相互操作。设计中像这样的功率上下变换现象，可以藉由控制放大器的偏压电流轻易地达到。

有别于DECT或GSM等TDMA系统，Bluetooth频谱测试并不会被闸控，以区隔功率控制和调变错误。量测间隔必须够长，才能撷取上下变换与调变所造成的效应。实际上，这不会造成认证问题，但时闸量测可能会因为具备迅速找出瑕疵的能力而变得非常重要。

如(图三)所示，有部分设计会在调变开始之前，利用非指定的周期来准备接收器。在此范例中，既不会发射1，也不会发射0。

《图三 在FM前所应用的功率》

频率错误

Bluetooth规格中的所有频率量测，都有赖于4μs或10μs的短闸周期，这会造成结果的差异，可利用以下方式来理解。第一种方式为较窄的时窗代表量测带宽的截止频率较高，因此会在量测中包含各种噪声结构。第二种方法是考虑错误结构，例如量测装置的量化错误或振荡器旁带噪声，它们在短周期中产生的比例会高过于较长的量测间隔，因为在后一种情况中，这些错误往往会被平均掉。除了晶体参考所造成的静态错误之外，在设计限制中还必须考虑到这项事实。

频率漂移

漂移量测将短期、10位的相邻数据组，与长期的跨丛发漂移结果结合在一起。如果在发射器中使用sample-and-hold设计，则此设计所造成的错误可能会很明显。在其它的设计中，从4到100 kHz的多余调变成份或噪声，可以视同图形中的涟波。这证实是确认电源供应器已经充分去耦的另一种方法。

调变

在发射器路径中，(图二)所示的VCO采直接调变的方式。为避免PLL去除带宽内的调变成份，可以在传输时将它开启，或使用相位错误更正（两点调变）。sample-and-hold技术可能是有效的，但必须注意避免频率漂移。除非使用数字技术来调整合成器的除频比，否则就应校验相位调变器，以避免不同数据码型的调变响应缺乏平坦度。(图四)显示用于认证测试的典型调变模式。

《图四 用于认证测试的调变模式》

Bluetooth RF规格会检查11110000和10101010两个不同码型的峰值频率差异。GMSK调变滤波器的输出在2.5个位之后达到最大，第一个码型会检查这一部份。GMSK滤波器的截止点和形状，可利用第二个码型来检查。

理想上，1010码型的峰值差异为11110000的88％，虽然有些设计因为在发射时未使用0.5BT的高斯滤波而显示较高的比值。最高的基本调变频率是500 kHz，即使位传输率为1 Msymbol/s。(图四)中左边图形的浅灰色轨迹，显示I/Q不平衡状态的效应。当拥有(图七)所示的方块图之系统未经完整校验时，便可能发生此种情形。

频内频谱

－20dB的测试确定调变与脉冲信号适合1MHz的宽带。(图五)中的方块可被想成限制时窗。设定10kHz的解析带宽，即为此用意。因为振幅脉冲的关系，这项量测必须使用peak hold。这种方法考虑到了偏离精确的中心频率之波形，所以将它变成一个W率宽度而非固定的屏蔽。如果信号位于屏蔽中间，结果会非常类似。图五的圆点是封包起始码中的非数据0所造成的。

《图五 －20dB量测》

相邻信道量测被指定为以一系列的随机频率量测来执行。非闸控扫描是检查这些问题的快速而简单的方法。与GSM、DECT和PDC等其他TDMA系统不同的是，即使是一项合并量测，仍然可能会使用到闸。

频外频谱

频率加倍技术常被用来防止RF耦合回VCO，而导致中心频率拖曳。次谐波必须从RF输出路径中排除，尤其是当它们可能影响到GPS接收器（L2频率为1222.7 MHz）或蜂巢式无线电装置等co-sited功能的效能时。

(图六)显示一个不含次谐波，但却产生高达9GHz谐波的设计中的信号。这项量测可利用标准的频谱分析仪来执行。对研究工作来说，可以使用较快的扫描时间，但仍然需要好几秒钟。如果选择较长的扫描时间，则拥有深度数据捕获缓冲区的较新型频谱分析仪，可以在扫描过后放大特定的取样点。

《图六 宽带旁生》

如(图七)所示，有些设计会在发射与接收路径中使用IQ混频，优点是可以提高电路整合的层次，并将信号处理工作交由模拟电路以外的数字信号处理。该图描述的是一种混合的方法。有一些设计会在前端加入影像斥拒混频。较高层次的硅整合，使得它的价格更为便宜。

所有这些IQ阶段的校验都必须仔细地说明。雷达与蜂巢式应用所发表的技术，描述可使用的序列和信号。直接将IQ调变应用到RF输出，可能会对信号产生意外的影响。但调变器的调校错误并不会对频率错误造成任何影响，因为频率只是相位的改变率而已。然而要辨认频谱中的错误可能不太容易。

《图七 IQ调变器、数字解调器》

IQ调变中的错误，代表有振幅调变。这可以利用功率相对时间显示图来侦测，或使用向量分析仪来执行更详细的研究。

IQ调变器也可以用来形成功率上下变换的情形，并指出闸控量测可能产生的值。在接收链中，误码量测必须先经过数字处理才能进行。在接收器的混频器输出和ADC输入间找出一个DC区块，以便确认零IF系统。像LO-RF回馈等瑕疵所产生的DC成份，会随着输入频率而改变，必须妥善加以处理才行。通常会在RF信道带宽的一半位置设定IF的Near-Zero IF，比较可能在初期被侦测出来。因此，旁带抑制会是个问题。旁带的快速计算法：0.1 dB的增益错误，或1度的相位错误，会使旁带下降约40 dB。

分析IQ波形

向量分析仪可以解调相当大范围的信号。虽然只包含直接应用的FSK的情况，可能无法保证额外的精密度，但在进行IQ设计的过程中，或考虑到Bluetooth 2、蜂巢式或WLAN等其他格式时，这个自变量将会改变。

为了了解组件的行为特性，从多方向来分析组件很重要。(图八)显示以四种方式来检视相同数据的范例。偏差检视以快速的视觉方式，提供正确调变模式的确认结果。眼图和FSK错误可以显示出调变的质量。解调数据检视则可让用户检查前文、起始码、同步文字与负载数据。

《图八 FSK的多种检视》

设计仿真

较高层次的整合，着重在仿真工具。除了可以迅速评估不同的电路拓朴之外，还有一些较先进的工具能为接收器提供更多有效及有瑕疵的信号。对Bluetooth技术来说，它蕴藏了一些最大的RF挑战。因为电池会消耗，所以可测试限定位准的压缩效能之效应，以及相位噪声、差动路径损耗、信号瑕疵与干扰 ──包括邻近发射器的效应，这些会在Bluetooth单元耦合到行动手机时发生。

最近的产品开发，有两个部份具备了很大的优点。第一是数字信号生成与向量信号分析区块的整合，可以交替进行仿真与实际的测试。软件产品与实体仪器间的链接，能够迅速比较原型的结果。

第二个特色是设计指南，可以让工具的设定自动化。让用户纷纷改用可进行真实电路评估的设计软件，来代替以特定无线电技术的相关基本配置信息来编程。

接收器测试

而前面所提及(图二)显示的鉴频器，是属于混频器／调谐电路的鉴频器。它看似简单，但需要执行一些校验。在分析设计特性的过程中，务必注意有些结果并不会呈现正常（高斯）分布。原因在于使用的电路技术，而且基于调谐电路／混频器组合的相位／频率特性的关系，会有一个限制值。延迟线路鉴频器是另一种选择，但需要进行校验。

前端放大器的设计与测试必须专注于干扰而非最可能出现的噪声指数，或1dB的压缩特性。有各种不同的技术可用来动态改变接收器链的增益，进而优化多余信号的斥拒。在信号产生器中使用同步的脉冲振幅调变，可能是对AGC系统的丛发至丛发响应的一项值得进行的测试，尤其是在软件控制的情况下。(图九)显示测试隔离接收器的量测路径。

《图九 测试隔离接收器的量测路径 》

测试接收器跳频

所有Bluetooth设计中都会使用一个本地振荡器。这么做的副作用是在小于300μs的完整调谐范围内，可能会造成它回转。当装置以Bluetooth测试模式操作时，也可能发生这种情形。

在发射周期，可能会选择接收测试频率对面的ISM频带端，或其他任意一个点的频率。VCO每一次都必须转换回接收器频率，如(图十)所示。

《图十 VCO交换／固定的RX信道》

每个丛发皆可用于数据传输，故可使用连续序列。这样就不必执行信号源必须跳动的跳频BER测试。虽然如此，在链路信令出现前，用户仍必须安排信号产生器与待测组件的同步控制。

当位转换成数字格式后，就可执行BER测试。执行的方法有好几种，(表一)列出了各种BER测试技术的摘要。

结语

Bluetooth技术使用快速跳频（高达1600 hops/sec）的方法，并在2.4 GHz的频率下操作。GFSK调变的运用，以及宽松的接收器灵敏度需求，考虑简单的无线电设计。这些特性导致一些模块的出现，它们使用先前设计的系统所采用的技术，例如欧洲的DECT标准。

不过，Bluetooth装置较低的目标价，迫使其他设计实行整合度更高的不同方法。系统整合单芯片、最低的功率消耗量、增强的干扰抑制以及优于规格的灵敏度等目标，使得它的设计与较高效能的无线电设计一样充满了挑战性。本文回顾了直接调频的VCO设计与数字IQ技术的差异，以及它们对量测所造成的影响。文中说明了Bluetooth调变特性量测如何验证Direct FM设计所产生的信号之质量，以及载波频率漂移（Carrier Frequency Drift）和ICFT如何让IQ调变瑕疵消失无踪。

此外，本文还说明执行W定时间为Bluetooth规格量测的优点。显然无线电设计师必须取得完整的仿真与量测工具，才有可能完成一个可靠的Bluetooth设计。（作者任职于安捷伦科技）