蓝牙测试模式实现及其物理层观测

测试模式简介

---蓝牙(Bluetooth)的测试模式支持蓝牙的收发测试，主要用于验证与配合射频和基带层的测试，也可用于常规性认证和生产售后的测试。在测试模式下的器件不一定支持普通的操作。出于安全考虑，测试模式设计成不会对用户提供任何服务。因此，不允许在软硬件接口上有任何数据的输入和输出。

---测试模式的目的在于通过检测其空中接口的参数，如频率精确性、时间精确性、调制参数和传输频段的带宽等来证明射频和链路控制层(LC)是否处于正常工作状态，任何蓝牙器件都可以工作在测试模式。在测试模式下，待测模块SUT(suit under test)处于非常规运行状态，最明显的区别就是不同于普通的79跳频通信，器件用固定的频段传输数据。由于跟踪分析仪器不需要跳频跟踪信号，这就使得测量更为便捷。
 

建立测试模式所需硬件

---(1)采用Rohde&Schwarz公司生产的R&SPTW60型蓝牙协议测试仪，在测试模式中为主模块(master)。该仪器具有专业和综合的蓝牙测试功能，是用于开发和鉴定测试的理想仪器。由于配备有编程界面，它同样适合开发全新的协议。
---(2)ALPS蓝牙模块做为待测模块，在测试模式中为从属模块(slave)，由HAMGEG三相电压源供电。
---(3)LeCroy数字四通道示波器，用于显示跟踪信号。
---(4)频谱分析仪Rohde&Schwarz FSH3，用于显示信号的功率分布。
---(5)装有FTP-Client、TotalCommander和C++编辑器JCreator等软件的PC，用于浏览、修改、下载以及上传测试模式各种方案所需要的程序。

 

测试模式的建立

---使蓝牙器件工作于测试模式通常有以下几步：
---(1)通过呼叫建立测试仪器(协议分析仪)的链路控制层(LC)和待测模块的链路控制层(LC)的连接。
---(2)测试仪器(协议分析仪)的链路管理层(LM)和待测模块的链路管理层(LM)建立连接。
---(3)待测模块自身进入测试模式。
---(4)激活测试模式。这意味着测试和待测双方的链路控制(LC)已经准备好接收测试控制信息。激活待测模式是通过主模块送出一个链路管理(LM)的协议数据单元PDU(protocol data unite)Enable_test_activate给待测模块。当待测模块接收到此数据包即把自身的链路控制层设置为测试模式。另一方面，当测试仪器的测试程序送出此协议数据单元后，它将测试仪器的链路控制层(LC)也设置为测试模式。
---(5)切换到需要的测试方案。在激活测试模式后，测试和待测双方都准备好接收使得它们工作于非正常状态的命令，例如，改变双方的通信模式，使得发送接收都工作于同一个固定频率而非跳频。为此，程序将向待测模块的链路管理层(LM)送出链路管理(LM)协议数据单元(PDU)LMP_test_control，这将迫使待测模块的链路控制层(LC)工作于被查询模式。在送出此信息后，程序同样改变测试仪器的链路控制层，使其工作于测试模式。
---以上建立步骤和命令都可以通过测试仪R&SPTW60的人机界面读取，并且可以单步执行程序，观察各层的执行结果。其中，步骤4和5均由测试仪器通过空中接口远程控制，为了避免附近其他蓝牙设备也被设定为测试模式，待测模块会收到来自HIC(Host Controller Interface，主控制器接口)的指令Enable_Device_Under_Test_Model，没有这一指令，蓝牙模块拒绝任何测试指令。

发送测试

---此测试模式较为简单直观。在此模式下蓝牙模块传送带有固定的比特净荷，同时还周期性的传送用于微微网(piconet)从模块TX定时校正的数据包，这里的微微网由测试仪和待测模块组成，每次传送的测试包是相同的。

---当主模块送出第一个检测包(POLL)，发送测试就开始了，此检测包使用的是非跳频模式下被允许的频率段。测试仪在TX时隙传送控制命令或检测包，待测模块在此后的从时隙开始帧传送。主器件的呼叫时间间隔是在之前定义并且是固定的。即使待测模块没有收到来自测试仪的数据包，它还是会根据正常定时来发送其数据帧。图2显示了发送测试主从模块时间配合情况，图中显示，帧长度可能会超过一个时隙数据包的长度。在这个情况下，测试仪就把下一个空闲的主TX时隙用于呼叫。

发送测试建立后就可以测试需要的相关参数了，比如输出功率、功率密度、多时隙灵敏度等等，这里只讨论波形图和功率分布。

---数据包理论结构和试验结果分析

---测试模式下的数据包即标准的蓝牙数据包。在配置时，测试仪(master)定义两项参数：要用的数据包种类和载荷的长度。载荷长度需要符合并受限于基带规范，在基带规范中所定义的ACL数据包载荷的结构也是保留的。

---在发送测试模式中，只能使用不带FEC纠错的数据包格式，如HV3、DH1、DH3、DH5以及AUX1等包格式，用这些格式可以支持到最长的数据包。在此模式中，在测试仪和待测模块之间交换的数据包没有加入白噪序列。在待测模块进入测试模式时，此功能即被禁止，在退出测试模式时又启用。 

--- 蓝牙规范中物理层(基带)数据包格式

---这里给出协议规范格式，以便和之后的试验结果做一下比较。[]中是bit长度。

---标准蓝牙数据包格式由72bit的验证码、54bit的信息头和0～2745bit的载荷组成。

---验证码(Assess Code)，用于同步，DC补偿和验证，其格式如下。其中，报头(Preamble)由固定4bit组成，便于DC补偿；同步码(Sync word)由64bit组成，用于定时同步；尾码(Trailer)由固定的4bit组成，同样用于DC补偿。

Preamble/ Sync word/ Trailer

[4] /[64] /[4]
---信息头格式(Header)包含链路控制信号，格式如下。其中，AM_ADDR是3bit长的活动成员地址，0信息都用于广播消息，最多7个；TYPE是数据包种类代码，共有16种；FLOW是1bit的流量控制；ARQN是1bit的确认码，表示数据包的成功传送；SEQN是1bit的序列码，确保数据包的前后次序；HEC是8bit的前向纠错码，确保信息头的正确性。

AM-ADDR/ TYPE/ FLOW/ ARQN/ SEQN/ HEC

[3] /[4] /[1] /[1] /[1] /[8]
载荷(Payload)用于携带语音信息或上层数据信息。
--- 还需要说明的一点，本试验选择了两种不同的bit样本作为载荷，分别是交替的01(0101010...)和4位交替的10(111100001111...)。选这两种载荷样本的原因是，由于蓝牙的基带和射频层选用了高斯最小频移键控(GMSK)，最大幅度节省了带宽，但同时引入了码间干扰(ISI)。也就是说，在解调出的码序列波形中，连续出现0或者1，会使得其频率偏移不断累积增大。在接收时如果增益超出接收机范围即会引起误码，这一现象可以在试验中直观地观察到。

--- 试验所得波形分析

---以下的3幅图是在测试模式下用LeCroy数字四通道示波器记录下来的，在此将它们与理论数据包格式做简单比较。

---在载荷为1111和0000交替出现的数据包时，信号占用带宽和时间的关系如图3所示。比较标准包格式可以找出验证码，信息头以及载荷。由于信息头包含有重要信息，所以使用了1/3FRC，即每一个信息位连续重复发送3遍，这样由每一bit占约1μs(有效数据速率为721kb/s)，可推得信息头中每信息位占用3μs。由这个特点，可以读出此例中信息头中的前三位AM_ADDR为111，即7号从模块。之后的4位TYPE码也可读出为0010，之后的三位依次为FLOW、ARQN和SEQN，其中正常情况下SEQN是不断跳变的。占用的带宽也可读出，约为-150kHz～+150kHz。

---在载荷为01交替出现的数据包时，信号占用带宽和时间的关系如图4所示。其结构大体和图3类似，图中标出9μs处为信息头起始点，此例中的从模块的AM_ADDR为101。有明显不同之处，即在载荷部分。由于是01交替出现，相比上例的1111与0000交替出现码间干扰明显减少，频率占用的峰值减小(图中密集的小锯齿部分)，约为-75Hz～+75Hz。

蓝牙数据包的能量分布如图所示。在蓝牙的射频部分使用了跳频技术，在ISM频段内，划分了79个频率通道，每通道带宽为1MHz。在实际蓝牙通信中，频率是均匀分布在这79个频率通道中的，它们起于2.402GHz,终于2.480GHz。这种跳频技术有效遏制了频率选择性干扰和衰减对通信的影响。由于测试模式工作于非跳频模式，由图可看出，其能量是均匀分布于一个固定频率段的。由图可知，中心频率是2.452GHz，所使用的是第50号频率通道。
 

结论

---本文介绍了蓝牙模块的测试模式，提出了一种具体的测试方法并对测试结果进行了评价。这方面的研究将有助于对蓝牙技术的进一步了解、推广和应用。