目前，藍(lán)牙低功耗技術(shù)(BLE)正迅速成為部署最為廣泛的無線技術(shù)之一，在資產(chǎn)跟蹤、健身監(jiān)測、定位服務(wù)和遙感等各種應(yīng)用領(lǐng)域中廣為使用。 BLE 設(shè)備通常外形小巧、堅固耐用，且常常完全封裝在保護(hù)外殼中，以防受到環(huán)境影響。這種封裝設(shè)計給設(shè)計工程師和測試工程師帶來特殊的挑戰(zhàn)：該如何在不使用任何射頻或數(shù)字連接的情況下進(jìn)行無線性能驗證？
一種解決辦法是采用無線(OTA) BLE測試，這種測試方法可以對發(fā)送器與接收機(jī)性能進(jìn)行快速的參數(shù)化驗證。眾所周知，發(fā)送器和接收機(jī)同等重要，但對于BLE設(shè)備而言，要驗證接收機(jī)的OTA性能尤為困難，亟需一種全新的測量方法。本文將探討幾種旨在確定BLE OTA 誤包率(PER)和接收機(jī)靈敏度的全新測量技術(shù)。
OTA測試方法解決兩大關(guān)鍵挑戰(zhàn)
挑戰(zhàn) 1：在典型的非OTA測試中，需要使用UART或USB連接等數(shù)字通信方法來控制待測設(shè)備(DUT)。進(jìn)行接收機(jī)測試時，首先將設(shè)備置于準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)包的狀態(tài)，然后測試系統(tǒng)發(fā)送已知數(shù)量的數(shù)據(jù)包，再對設(shè)備進(jìn)行查詢，以確定其成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量。測試系統(tǒng)將使用這些信息計算PER，這是業(yè)內(nèi)用來量化接收機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)方法。在OTA測試中，沒有直接連線通信，因此其挑戰(zhàn)在于設(shè)計出一種新方法來確定是否正確接收到數(shù)據(jù)包。
解決方案1：要在不使用有線連接的情況下確定PER，OTA測試解決方案必須利用標(biāo)準(zhǔn)BLE無線協(xié)議消息來確定是否接收到數(shù)據(jù)包。BLE設(shè)備采用分布在2.4 GHz頻段上的三種特定廣播頻率傳送數(shù)據(jù)。
1：上圖所示為 BLE 廣播、掃描請求和掃描響應(yīng)事件的功耗與時間關(guān)系。
配有接收機(jī)的設(shè)備在每次發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包后，會在短時間內(nèi)偵聽名為Scan_Request的特定BLE消息。此消息通常由附近要與廣播設(shè)備通信的設(shè)備發(fā)出。如果廣播設(shè)備接收到此Scan_Request消息，將使用Scan_Response消息進(jìn)行響應(yīng)。圖1的功耗與時間關(guān)系圖反映的即是這種模式。廣播設(shè)備首先發(fā)送一個廣播數(shù)據(jù)包（以藍(lán)色指示），附近的工作站隨后發(fā)出Scan_Request消息（以橙色指示），廣播設(shè)備接著發(fā)出Scan_Response消息（仍以藍(lán)色指示）。
BLE設(shè)備的常規(guī)操作中會發(fā)生這種消息交換，OTA測試系統(tǒng)正是利用這一行為來測量PER。在接收機(jī)測試期間，DUT首先發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，隨后測試系統(tǒng)發(fā)送Scan_Request消息，如果DUT接收到該數(shù)據(jù)包，將通過Scan_Response消息進(jìn)行應(yīng)答。測試系統(tǒng)將跟蹤發(fā)送的Scan_Request數(shù)量和接收的Scan_Response數(shù)量，并使用該信息計算接收機(jī)PER。
進(jìn)行靈敏度測量時，測試系統(tǒng)通過調(diào)整射頻信號電平來確定產(chǎn)生特定PER的射頻電平。此射頻電平是反映接收機(jī)質(zhì)量的通用方法，稱為接收機(jī)靈敏度。這種使用廣播數(shù)據(jù)包Scan_Request消息和Scan_Response消息的方法不僅可以準(zhǔn)確確定接收機(jī)的PER或靈敏度，而且不需要與DUT建立任何直接的有線通信，BLE OTA測試儀正是采用這種方法。
挑戰(zhàn)2：與Wi-Fi或蜂窩網(wǎng)絡(luò)等其他常見的無線技術(shù)相比，BLE具有更低的數(shù)據(jù)傳輸速率。接收機(jī)測試中需要使用大量數(shù)據(jù)包，來保證測量結(jié)果具有準(zhǔn)確性和統(tǒng)計意義。
由于數(shù)據(jù)傳輸速率低，生產(chǎn)環(huán)境中的BLE接收機(jī)測試往往需要較長時間，致使成本大幅增加。毋庸置疑，這種測試時間長且成本更高的方法并不可取，因此第二大挑戰(zhàn)是：要設(shè)計出一種新的測量方法，既能準(zhǔn)確地確定PER，相比現(xiàn)有傳統(tǒng)PER測試方法又能大大減少使用的數(shù)據(jù)包數(shù)。
解決方案2：要確定接收機(jī)靈敏度，通常需要測量一系列射頻電平下的PER。藍(lán)牙SIG（制定藍(lán)牙性能技術(shù)規(guī)范的組織）規(guī)定，必須使用1,500個數(shù)據(jù)包來測量接收機(jī)靈敏度。如果使用上述廣播方法，典型BLE設(shè)備在每個電平下往往需要幾分鐘時間才能接收這么多的數(shù)據(jù)包。而且，如果在多個射頻電平下進(jìn)行測量，那么一次完整的接收機(jī)靈敏度測試可能需要花費10多分鐘的時間。
這在許多應(yīng)用場合顯然是不合適的，因而需要找到一種更快捷的新方法。為了解決這一問題，OTA測試解決方案必須使用一種算法來快速確定PER的分布曲線。這種方法稱為“快速PER測試法”，專用于快速確定產(chǎn)生50% PER時的接收機(jī)靈敏度。
在執(zhí)行快速PER測試期間，測試儀首先在任意射頻電平下發(fā)送單個數(shù)據(jù)包(Scan_Request)。在數(shù)據(jù)包得到應(yīng)答后，降低射頻電平并在此更低的新電平下發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包。如果數(shù)據(jù)包未得到應(yīng)答，則提高射頻電平并在此更高的電平下發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包。測試儀運用一種智能算法調(diào)整射頻電平的步長并記錄得到應(yīng)答和未得到應(yīng)答的電平，從而以最少數(shù)量的數(shù)據(jù)包快速而準(zhǔn)確地繪制出“誤包率分布曲線”。
圖2：BLE DUT的典型誤包率(PER)曲線。
圖2 所示為BLE設(shè)備的傳統(tǒng)PER曲線。PER曲線對曲線50%點處的射頻電平變化最為敏感，因此快速PER算法會搜索此50%點。在射頻電平變動期間，大多數(shù)的數(shù)據(jù)包在接近50%點的射頻電平下發(fā)送；由于算法在此50%區(qū)域上收斂，因此，射頻電平步長也會調(diào)整為更小值。這種DUT接收機(jī)靈敏度測量方法具有很好的準(zhǔn)確和可重復(fù)性，并且需要的數(shù)據(jù)包數(shù)量很少，與在一系列不同射頻電平下使用大量數(shù)據(jù)包的傳統(tǒng)蠻力PER掃描方法相比，所需數(shù)據(jù)包數(shù)不足其 5%。
總結(jié)
射頻設(shè)計人員需要使用最終設(shè)計來驗證可交付產(chǎn)品的性能，而不能僅僅依賴于板級測量，板級測量測得的射頻性能可能與成品的真實情況存在很大偏差。在制造過程中，測試工程師通常無法使用板級射頻和數(shù)字連接，因此他們需要使用無線式的快捷測試方法來獲得準(zhǔn)確且可重復(fù)的結(jié)果。 OTA BLE測試解決方案可以幫助技術(shù)人員有效解決在測量中的這些關(guān)鍵挑戰(zhàn)。借助這些系統(tǒng)，工程師可以構(gòu)建更好的設(shè)計，同時制造商也可以使用參數(shù)化數(shù)據(jù)來驗證制造質(zhì)量。 對于BLE設(shè)備而言，一旦無法獲得良好的無線通信，設(shè)備將無法正常運轉(zhuǎn)，因此無線性能顯得至關(guān)重要。如今，這些BLE OTA測試解決方案將有助于相關(guān)人員設(shè)計出更優(yōu)秀的產(chǎn)品，同時幫助制造商制造出符合要求的產(chǎn)品。
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