蓝牙5.0在低能耗(LE)方案中增加了速度和灵活性。它的数据吞吐量是4.2版的两倍,最大突发速率从1Mb/s一跃提升到2Mb/s。为提高其通用性,现在可以降低带宽使距离提高至原来的4倍,同时保持类似的功率要求。由于设备收发数据的距离提高至4倍,家居自动化和信息安全产品设计人员在产品设计中可望覆盖整个家、整栋楼或整个社区。功能增加的同时,也带来了新的测试需求,特别是在物理层。

蓝牙5.0更高效地利用日益拥挤的2.4GHz频段中的广播通道,完成任务所需的广播时间更少。由于改善了广播通道,开发人员可以创建基于体验的应用,在物理世界和虚拟世界之间搭起一座桥梁。

据Bluetooth SIG发布的数据,蓝牙5.0将给广告传输增加多得多的容量。这意味着它可以把更多的信息传送到其它兼容设备,而不会形成实际连接,从而加快交互速度。它扩展了广告,把广告数据从三种传统广告通道卸载到全套数据通道,以实现更多的频率分集,如图1所示。较大的255字节数据包实现了新的阈值功能,如资产跟踪,同时能够向下兼容为之前的蓝牙规范开发的产品。

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图1:在2.4GHz频段中,蓝牙5.0的广告通道落在Wi-Fi通道之间。

并不是每个应用都要求相同的距离、速度或广播功能。蓝牙5.0让产品开发人员能够对自己的实现方案做出最好的选择。由于广播消息容量提高至v4.2的8倍,同时支持更多的数据包(从31字节变为255字节),Bluetooth SIG估计蓝牙5.0现在可以用于超出一个房间、甚至超出一座房子的物联网(IoT)连接。他们预测,到2020年,在所有物联网设备中,33%以上的设备将内置蓝牙功能。

蓝牙物理层变化

蓝牙5.0在LE标准中新增了两种模式。第一种模式的符号率是现有的1Msps低能耗标准的两倍,称为LE 2M PHY(以前的标准现在称为LE 1M PHY)。LE 1M和LE 2M PHY都属于所谓的LE未编码物理层标准,因为它们内部都没有纠错编码阶段。

第二种模式称为LE编码物理层标准。LE编码物理层标准有两种编码方式:S=8和S=2,其中S是每个位的符号数。除循环冗余校验(CRC)以外,还有卷积编码及映射,提高了冗余度,减少了出错的机会。结果,编码的信息可以传送更远的距离,因为在需要时可以进行检测和校正。表1汇总了不同的调制和编码方式以及得到的数据速率。

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表1:蓝牙5.0物理层调制和编码方式以及得到的数据速率。

图2和图3显示了低能耗编码方式与未编码方式在处理数据净荷时有哪些不同,这两者都要进行CRC生成和白化。对于LE编码物理层标准,净荷要经过前向纠错(FEC)和码型映射。卷积FEC编码器使用非系统、非递归速率½代码,限定长度K=4。编码器为每个输入位生成两个输出位,并经过卷积FEC编码器。编码器生成的两个输出位进一步映射。如果S=2,那么它们不会有任何变化,而对S=8,0映射到0011,1映射到1100。这是为LE编码物理层标准S=8中每一个输入位创建8个位的方式。

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图2:LE未编码物理层的净荷位处理。

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图3:LE编码物理层标准中的码流处理增加了许多LE未编码物理层标准中不要求的步骤。

LE编码物理层标准规定的包格式也用于广告通道包和数据通道包。整个包使用1Msym/s的符号率传送。每个包都由前置码、FEC码组1和FEC码组2组成,如图4所示。

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图4:蓝牙5.0 LE编码包的内容。

前置码不进行编码。FEC码组1由三个字段组成:接入地址、编码指示符(CI)和TERM1。码组采用S=8编码方式,最终符号数量始终相同。

CI字段决定了FEC码组2使用哪种编码方式。FEC码组2由三个字段组成:PDU、CRC和TERM2。它们采用S=2或S=8编码方式,具体视CI字段值而定。CI字段只是一个两位字段,用来区分S=2方式和S=8方式。

协议数据单元(PDU)的长度在2~256字节之间。因此,最小的包长度是462µs(如果把S=2最后一行中的所有值加起来,那么PDU仅2个16位字节),最大包长度是17040µs (由S=8获得,PDU为257字节)。

蓝牙5.0测试

被测器件需要进行大量的测量,以确定其在发送侧满足蓝牙规范,下面对此进行了详细的介绍。可使用配备蓝牙5.0分析软件的中档频谱分析仪执行这些测试。

带内辐射:这项测试检验蓝牙传输的带内频谱辐射是否落在极限范围内。极限值已经修改,以适应LE 2M PHY。LE编码物理层标准的极限以1Ms/s运行,其极限行与LE 1M PHY相同。80MHz的整个蓝牙频段被分成80个通道,每个通道宽1MHz,然后计算每个频段中的积分功率。设备在中心频率为M的RF通道上传送信息,1MHz带宽的邻道的中心频率用N表示。对LE 1M,偏置2MHz的频段中的积分功率应小于-20dBm,偏置3MHz或以上频段中的功率应小于-30dBm。对LE 2M,极限比较从任一侧的4MHz频率偏置开始(而不是2MHz)。对偏置4MHz和5MHz的频段,积分功率预计小于-20dBm;只有对超过6MHz的偏置,才会设定<-30dBm的更严格的要求。

在图5中,大家可以看到,每1MHz会计算LE 2M功率,用蓝线表示。大家还会注意到,标准建议了三个极限:±4MHz、±5MHz和±≥6MHz。

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图5:每1MHz计算LE 2M功率,用蓝线表示。

调制特性:蓝牙采用的调制方式是高斯频移键控(GFSK),带宽位周期乘积BT=0.5。调制指数必须位于0.45至0.55之间。这一测试检验已知测试码型的频域是否位于指定极限范围内。测量使用特定测试码型。在以前的蓝牙版本中,使用的码型是0x0F(00001111)和0x55(01010101),然后用标准规定的方式计算每个位间隔中的频率偏差。在蓝牙5.0中,LE 2M PHY测试通过/失败的极限已经变化,因为2Msps调制方式的频率偏差不同。LE 2M PHY的这些极限翻了一番。对LE编码规范(S=8),测量码型不同。第一个码通过全部赋值1来生成。在编码和映射后,码型变成00111100。如果编码器和映射器的输入码型全是0,则生成第二个码型00110011。标准还规定,这个测量从第33个符号开始。

稳定的调制特性:这是一项新指标,以前的蓝牙测试规范中是没有的。LE设备配备拥有稳定调制指数的发射器,可以通过功能配套机制把这种情况告诉接收的LE设备。这些发射器的调制指数在0.495和0.505之间。如果适用于其支持的所有LE发射机物理层,那么设备应只指明发射机具有稳定的调制指数。如果发射机没有稳定的调制指数,但仍在理想的调制指数0.5的1%裕量范围内,那么我们称其有标准调制指数。

频率偏置和漂移:通过在由1和0码型交替的指定间隔中求频率偏差平均值,可以计算频率偏置。以前低能耗标准中的间隔时长为10位或10µs。这种频率偏置在前置码和净荷中计算。然后计算这些频率偏置在50µs间隔中(相距5个间隔)的漂移。对LE 2M PHY,间隔仍为10µs,但由20位组成,而不是10(因为是2Msps)。漂移测量仍分5组进行或相距5个间隔时长。对LE编码物理层标准,会选择16位间隔,而不是10,然后相距3个间隔时长(48µs)计算漂移,因为码型是00110011。

20dB带宽:测量带宽,直到频谱下跌到比峰值功率低20dB的点。

输出功率:计算整个包的功率。

深入蓝牙分析:除上述测量外,一些蓝牙分析软件提供了与测试信号有关的额外信息。这些分析可以帮助您调试和优化目标应用的性能,包括:

• 解码后的包信息,即已经解码的所有包头和包信息;
• 所有测量的摘要或截图及解码后的包信息;
• 多个显示画面,显示频率偏差随时间变化,在调试或解释调制图和漂移测量时使用;
• 漂移表,显示10位间隔中计算的频率偏置及50µs中的漂移(相距5个间隔时长);
• 星座图、眼图和符号表显示。

实现

在蓝牙应用中使用实时频谱分析仪也很有用,它可以显示隐藏在宽带噪声下面的问题,而用其它仪器是看不到这些问题的。图6 (右)显示了扫频分析仪在40MHz扫描中看到的东西,以及实时频谱分析仪(左)看到的东西。

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图6:实时频谱分析仪可以显示传统扫频分析仪漏掉的隐藏问题。

蓝牙5.0较Bluetooth 4.2 LE作出了全面改进。通过密切关注测试测量战略,您设计的设备将能够利用新标准提供的每一个优势。

作者:Dorine Gurney,泰克公司

《电子技术设计》2018年4月刊版权所有,转载请注明来源及链接。

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