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(wú)線(xiàn)技術(shù)之一，在資產(chǎn)跟蹤、健身監(jiān)測(cè)、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(jiān)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(jì)給設(shè)計(jì)工程師和測(cè)試工程師帶來(lái)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(wú)線(xiàn)性能驗(yàn)證？

   一種解決辦法是采用無(wú)線(xiàn)(OTA) BLE測(cè)試，這種測(cè)試方法可以對(duì)發(fā)送器與接收機(jī)性能進(jìn)行快速的參數(shù)化驗(yàn)證。眾所周知，發(fā)送器和接收機(jī)同等重要，但對(duì)于BLE設(shè)備而言，要驗(yàn)證接收機(jī)的OTA性能尤為困難，亟需一種全新的測(cè)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(cè)量技術(shù)。

OTA測(cè)試方法解決兩大關(guān)鍵挑戰(zhàn)

挑戰(zhàn) 1：在典型的非OTA測(cè)試中，需要使用UART或USB連接等數(shù)字通信方法來(lái)控制待測(cè)設(shè)備(DUT)。進(jìn)行接收機(jī)測(cè)試時(shí)，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(cè)試系統(tǒng)發(fā)送已知數(shù)量的數(shù)據(jù)包，再對(duì)設(shè)備進(jìn)行查詢(xún)，以確定其成功接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量。測(cè)試系統(tǒng)將使用這些信息計(jì)算PER，這是業(yè)內(nèi)用來(lái)量化接收機(jī)性能的標(biāo)準(zhǔn)方法。在OTA測(cè)試中，沒(méi)有直接連線(xiàn)通信，因此其挑戰(zhàn)在于設(shè)計(jì)出一種新方法來(lái)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(xiàn)連接的情況下確定PER，OTA測(cè)試解決方案必須利用標(biāo)準(zhǔn)BLE無(wú)線(xiàn)協(xié)議消息來(lái)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(qǐng)求和掃描響應(yīng)事件的功耗與時(shí)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(huì)在短時(shí)間內(nèi)偵聽(tīng)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(shí)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(gè)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(huì)發(fā)生這種消息交換，OTA測(cè)試系統(tǒng)正是利用這一行為來(lái)測(cè)量PER。在接收機(jī)測(cè)試期間，DUT首先發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，隨后測(cè)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(guò)Scan_Response消息進(jìn)行應(yīng)答。測(cè)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(jì)算接收機(jī)PER。

  進(jìn)行靈敏度測(cè)量時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整射頻信號(hào)電平來(lái)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(chēng)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(xiàn)通信，BLE OTA測(cè)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(jiàn)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)相比，BLE具有更低的數(shù)據(jù)傳輸速率。接收機(jī)測(cè)試中需要使用大量數(shù)據(jù)包，來(lái)保證測(cè)量結(jié)果具有準(zhǔn)確性和統(tǒng)計(jì)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(cè)試往往需要較長(zhǎng)時(shí)間，致使成本大幅增加。毋庸置疑，這種測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)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(jì)出一種新的測(cè)量方法，既能準(zhǔn)確地確定PER，相比現(xiàn)有傳統(tǒng)PER測(cè)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(cè)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(gè)數(shù)據(jù)包來(lái)測(cè)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(gè)電平下往往需要幾分鐘時(shí)間才能接收這么多的數(shù)據(jù)包。而且，如果在多個(gè)射頻電平下進(jìn)行測(cè)量，那么一次完整的接收機(jī)靈敏度測(cè)試可能需要花費(fèi)10多分鐘的時(shí)間。

  這在許多應(yīng)用場(chǎng)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(wèn)題，OTA測(cè)試解決方案必須使用一種算法來(lái)快速確定PER的分布曲線(xiàn)。這種方法稱(chēng)為“快速PER測(cè)試法”，專(zhuān)用于快速確定產(chǎn)生50% PER時(shí)的接收機(jī)靈敏度。

   在執(zhí)行快速PER測(cè)試期間，測(cè)試儀首先在任意射頻電平下發(fā)送單個(gè)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(gè)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(gè)數(shù)據(jù)包。測(cè)試儀運(yùn)用一種智能算法調(diào)整射頻電平的步長(zhǎng)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(xiàn)”。

圖2：BLE DUT的典型誤包率(PER)曲線(xiàn)。

   圖2 所示為BLE設(shè)備的傳統(tǒng)PER曲線(xiàn)。PER曲線(xiàn)對(duì)曲線(xiàn)50%點(diǎn)處的射頻電平變化最為敏感，因此快速PER算法會(huì)搜索此50%點(diǎn)。在射頻電平變動(dòng)期間，大多數(shù)的數(shù)據(jù)包在接近50%點(diǎn)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(zhǎng)也會(huì)調(diào)整為更小值。這種DUT接收機(jī)靈敏度測(cè)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(jì)人員需要使用最終設(shè)計(jì)來(lái)驗(yàn)證可交付產(chǎn)品的性能，而不能僅僅依賴(lài)于板級(jí)測(cè)量，板級(jí)測(cè)量測(cè)得的射頻性能可能與成品的真實(shí)情況存在很大偏差。在制造過(guò)程中，測(cè)試工程師通常無(wú)法使用板級(jí)射頻和數(shù)字連接，因此他們需要使用無(wú)線(xiàn)式的快捷測(cè)試方法來(lái)獲得準(zhǔn)確且可重復(fù)的結(jié)果。 OTA BLE測(cè)試解決方案可以幫助技術(shù)人員有效解決在測(cè)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(jì)，同時(shí)制造商也可以使用參數(shù)化數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證制造質(zhì)量。 對(duì)于BLE設(shè)備而言，一旦無(wú)法獲得良好的無(wú)線(xiàn)通信，設(shè)備將無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此無(wú)線(xiàn)性能顯得至關(guān)重要。如今，這些BLE OTA測(cè)試解決方案將有助于相關(guān)人員設(shè)計(jì)出更優(yōu)秀的產(chǎn)品，同時(shí)幫助制造商制造出符合要求的產(chǎn)品。




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