藍牙(Bluetooth)5.0在低功耗(LE)方案中增加了速度和靈活性,其資料傳輸量是4.2版的兩倍,最大突發速率從1Mb/s一舉提升到2Mb/s。為提高通用性,現在可以降低頻寬使距離提高至原來的4倍,同時保持類似的功率要求。由於設備收發資料的距離提高至4倍,家庭自動化和資訊安全產品設計人員在產品設計中可望覆蓋整個家、整棟樓或整個社區。不過,藍牙5.0功能增加的同時,也帶來了新的測試需求,特別是在實體層(PHY Layer)。

藍牙5.0更高效地利用日益擁擠的2.4GHz頻段中的廣播通道,完成任務所需的廣播時間更少。由於改善了廣播通道,開發人員可以創建基於體驗的應用,在物理世界和虛擬世界之間搭起一座橋樑。

據藍牙SIG發佈的資料,藍牙5.0將提供廣播傳輸增加多得多的容量。這意味著它可以把更多的資訊傳送到其他相容設備,而不會形成實際連接,從而加快互動速度。它擴展了廣播,把廣播資料從三種傳統廣播通道卸載到全套資料通道,以實現更多的頻率分集,如圖1所示。較大的255位元組資料封包實現了新的閾值功能,如資產追蹤,同時能夠向下相容利用之前藍牙規範開發的產品。

20180430TA01P1 圖1 在2.4GHz頻段中,藍牙5.0的廣播通道落在Wi-Fi通道之間。

並不是每個應用都要求相同的距離、速度或廣播功能,藍牙5.0讓產品開發人員能夠對自己的實現方案做出最好的選擇。由於廣播消息容量提高至v4.2版本的8倍,同時支援更多的資料封包(從31位元組變為255位元組),藍牙SIG估計藍牙5.0現在可以用於超出一個房間、甚至超出一座房子的物聯網(IoT)連接。該單位並預測,到2020年,在所有物聯網設備中,33%以上的設備將內建藍牙功能。

藍牙實體層變化

藍牙5.0在低功耗標準中新增了兩種模式。第一種模式的符碼率(symbol rate)是現有的1Msps低功耗標準的兩倍,稱為LE 2M PHY(以前的標準現在稱為LE 1M PHY)。LE 1M和LE 2M PHY都屬於所謂的低公耗未編碼實體層標準,因為它們內部都沒有糾錯編碼階段。

第二種模式稱為低功耗編碼實體層標準。低功耗編碼實體層標準有兩種編碼方式:S=8和S=2,其中S是每個位元的符碼數。除迴圈冗餘校驗(CRC)以外,還有卷積編碼及映射,提高了冗餘度,減少了出錯的機會。結果,編碼的資訊可以傳送更遠的距離,因為在需要時可以進行檢測和校正。表1匯總了不同的調變和編碼方式,以及得到的資料速率。

20180430TA01P1-1 表1 藍牙5.0實體層調變和編碼方式,以及得到的資料速率。

圖2和圖3顯示了低功耗編碼方式與未編碼方式在處理資料淨荷時有哪些不同,這兩者都要進行CRC生成和白化。對於低功耗編碼實體層標準,淨荷要經過前向糾錯(FEC)和碼型映射。卷積FEC編碼器使用非系統、非遞迴速率.代碼,限定長度K=4,編碼器為每個輸入位元生成兩個輸出位元,並經過卷積FEC編碼器,編碼器生成的兩個輸出位元進一步映射。如果S=2,那麼它們不會有任何變化,而對S=8,0映射到0011,1映射到1100。這是為低功耗編碼實體層標準S=8中每一個輸入位元創建8個位元的方式。

20180430TA01P2 圖2 低功耗未編碼實體層的淨荷位元處理。

20180430TA01P3 圖3 低功耗編碼實體層標準中的碼流處理增加了許多低功耗未編碼實體層標準中不要 求的步驟。

低功耗編碼實體層標準規定的封包格式也用於廣播通道封包和資料通道封包。整個封包使用1Msym/s的符碼率傳送,每個封包都由前置碼、FEC碼組1和FEC碼組2組成,如圖4所示。

20180430TA01P4 圖4 藍牙5.0低功耗編碼封包的內容。

前置碼不進行編碼。FEC碼組1由三個欄位組成:接入位址、編碼指示符(CI)和TERM1。碼組採用S=8編碼方式,最終符號數量始終相同。

CI欄位決定了FEC碼組2使用哪種編碼方式。FEC碼組2由三個欄位組成:PDU、CRC和TERM2,它們採用S=2或S=8編碼方式,具體視CI欄位值而定。CI欄位只是一個兩位欄位,用來區分S=2方式和S=8方式。

協定資料單元(PDU)的長度在2~256位元組之間。因此,最小的封包長度是462μs(如果把S=2最後一行中的所有值加起來,那麼PDU僅2個16位元組),最大封包長度是17,040μs(由S=8獲得,PDU為257位元組)。

藍牙5.0測試

被測元件需要進行大量的測量,以確定其在發送端滿足藍牙規範,以下對此進行了詳細的介紹。可使用配備藍牙5.0分析軟體的中檔頻譜分析儀執行這些測試。

頻帶內輻射:這項測試檢驗藍牙傳輸的頻帶內頻譜輻射是否落在極限範圍內。極限值已經修改,以適應LE 2M PHY。低功耗編碼實體層標準的極限以1Ms/s運行,其極限行與LE 1M PHY相同。80MHz的整個藍牙頻段被分成80個通道,每個通道寬1MHz,然後計算每個頻段中的積分功率。設備在中心頻率為M的RF通道上傳送資訊,1MHz頻寬鄰道的中心頻率用N表示。對LE 1M,偏置2MHz頻段中的積分功率應小於-20dBm,偏置3MHz或以上頻段中的功率應小於-30dBm。對LE 2M,極限比較從任一側的4MHz頻率偏置開始(而不是2MHz),對偏置4MHz和5MHz的頻段,積分功率預計小於-20dBm;只有對超過6MHz的偏置,才會設定小於-30dBm的更嚴格的要求。

在圖5中,可以看到,每1MHz會計算LE 2M功率,用藍線表示。大家還會注意到,標準建議了三個極限:±4MHz、±5MHz和±.6MHz。

20180430TA01P5 圖5 每1MHz計算LE 2M功率,用藍線表示。

調變特性:藍牙採用的調變方式是高斯頻移鍵控(GFSK),頻寬位元週期乘積BT=0.5,調變指數必須位於0.45~0.55之間。這一測試檢驗已知測試碼型的頻域是否位於指定極限範圍內,測量使用特定測試碼型。在以前的藍牙版本中,使用的碼型是0x0F(00001111)和0x55(01010101),然後用標準規定的方式計算每個位元間隔中的頻率偏差。在藍牙5.0中,LE 2M PHY測試通過/失敗的極限已經變化,因2Msps調變方式的頻率偏差不同,LE 2M PHY的這些極限翻了一倍。對LE編碼規範(S=8),測量碼型不同。第一個碼透過全部賦值1來生成,在編碼和映射後,碼型變成00111100。如果編碼器和映射器的輸入碼型全是0,則生成第二個碼型00110011,標準還規定,這個測量從第33個符碼開始。

穩定的調變特性:這是一項新指標,以前的藍牙測試規範中沒有。低功耗設備配備擁有穩定調變指數的發射器,可以利用功能配套機制把這種情況告訴接收的低功耗設備。這些發射器的調變指數在0.495~0.505之間,如果適用於其支持的所有LE發射機實體層,那麼設備應只指明發射器具有穩定的調變指數。如果發射器沒有穩定的調變指數,但仍在理想的調變指數0.5的1%裕量範圍內,那麼可稱其有標準調變指數。

頻率偏置和漂移:透過在由1和0碼型交替的指定間隔中求頻率偏差平均值,可以計算頻率偏置。以前低功耗標準中的間隔時長為10位元或10μs,這種頻率偏置在前置碼和淨荷中計算,然後計算這些頻率偏置在50μs間隔中(相距5個間隔)的漂移。對LE 2M PHY,間隔仍為10μs,但由20位元組成,而不是10(因為是2Msps),漂移測量仍分5組進行或相距5個間隔時長。對低功耗編碼實體層標準,會選擇16位元間隔,而不是10,然後相距3個間隔時長(48μs)計算漂移,因為碼型是00110011。

20dB頻寬:測量頻寬,直到頻譜下跌到比峰值功率低20dB的點。

輸出功率:計算整個封包的功率。

深入藍牙分析:除上述測量外,一些藍牙分析軟體提供了與測試訊號有關的額外資訊。這些分析可以顯示調試和最佳化目標應用的性能,包括:

· 解碼後的封包資訊,即已經解碼的所有包頭和封包資訊;

· 所有測量的摘要或截圖及解碼後的封包資訊;

· 多個顯示畫面,顯示頻率偏差隨時間變化,在調試或解釋調變圖和漂移測量時使用;

· 漂移表,顯示10位元間隔中計算的頻率偏置及50μs中的漂移(相距5個間隔時長);

· 星座圖、眼圖和符號表顯示。

實現

在藍牙應用使用即時頻譜分析儀也很有用,它可以顯示隱藏在寬頻雜訊下的問題,而用其他儀器看不到這些問題。圖6(右)顯示了掃頻分析儀在40MHz掃描中看到的內容,以及即時頻譜分析儀(左)看到的內容。

20180430TA01P6 圖6 即時頻譜分析儀可以顯示傳統掃頻分析儀漏掉的隱藏問題。

藍牙5.0較4.2 LE作出了全面改進。透過密切關注測試測量策略,你設計的設備將能夠利用新標準提供的每一個優勢。