現今的Bluetooth無線電設計採用一些系統結構，從使用類比調變的傳統IF系統，到數位IQ調變器／解調器配置不等。不論設計的配置為何，在開發產品的過程中都必須設法解決下列幾個問題。

在以下的篇幅中，將檢視設計的一些不同特性、研發測試的意涵以及可讓開發工作變得更容易的工具。接著說明如何執行這些量測，並討論可預期的一些量測價值。

Bluetooth RF技術概要

Bluetooth裝置會在 2.402到 2.48 GHz 的 ISM頻帶內操作，通常是在 79 個通道上。這是利用一種名為0.5BT GFSK（高斯移頻鍵控）的數位調頻技術來互相進行通訊。此代表載波會以每秒100萬個符號（或位元）的速率上移157 kHz，以代表「１」，或下移以代表「0」。「0.5」將－3 dB的資料濾波器頻寬限定為500 kHz，藉此為佔用的RF頻譜設下限制。

兩個裝置間的通訊屬於分時雙工（TDD），意思是發射器和接收器依次在不同的時槽交替進行傳輸。此外，還使用高達1600 hops/s的超快跳頻模式，來提高顯得擁擠頻帶內的鏈路之可靠度。假使最近的U.S. FCC規定預期頻帶的用量確定會增加，可靠度就會相對重要。

《圖一　Bluetooh RF功率波射與VCO頻率時序》

(圖一)顯示在625μs的時槽中，傳送和接收一個366s DH1封包的可能時序。在下方軌跡可以看到安定時間間隔。在這個間隔中，裝置必須跳至下一個通道頻率，而電壓控制振盪器（VCO）必須及時安定，以便發射或接收封包資料。需注意的是封包的開頭與RF叢發的上升緣並沒有直接的相關，此可從代表可能替代上升緣之虛線看出來。叢發的上升緣也與時槽的開頭無關。所有的封包資料都傳送出去之後，設計可能會立刻降低功率，或等到接近時槽末端才降低功率。

《圖二　直接調頻的VCO，類比鑑頻器》

(圖二)所示的Bluetooth範例中之接收器佈局僅使用一個下轉換。（灰色方塊是不同設計中省略或交換零件的部份）。像此設計只會使用一個本地振盪器。輸出的頻率會提高一倍，而且會在接收與發射功能間切換。使用FSK可以對VCO進行簡單的直接調變。基頻資料會通過高斯濾波器，並在固定的時序延遲及沒有過擊的情況下進行特性分析。脈波僅應用於發射器。使用sample-and-hold電路或相位調變器，可以防止鎖相迴路（PLL）去除頻寬內的相位調變。中頻通常會非常高，故可限制濾波器元件的實體大小，並確保IF頻率距離LO頻率夠遠，以達到滿意的影像斥拒。當位準夠高而能過載接收器的輸入時，可以使用天線交換。

功率

輸出放大器是一個選項，使用它可以提高Class1（＋20 dBm）輸出版本所需的功率。位準準確度的規格並不嚴苛，但必須小心避免產生過多的功率輸出，並確保電池不會發生非必要的消耗。

不論設計提供＋20dBm或較小的值，接收器都必須準備好提供接收信號強度指標（RSSI）資訊，以使不同功率等級的裝置可以相互操作。設計中像這樣的功率上下變換現象，可以藉由控制放大器的偏壓電流輕易地達到。

有別於DECT或GSM等TDMA系統，Bluetooth頻譜測試並不會被閘控，以區隔功率控制和調變錯誤。量測間隔必須夠長，才能擷取上下變換與調變所造成的效應。實際上，這不會造成認證問題，但時閘量測可能會因為具備迅速找出瑕疵的能力而變得非常重要。

如(圖三)所示，有部分設計會在調變開始之前，利用非指定的週期來準備接收器。在此範例中，既不會發射1，也不會發射0。

《圖三　在FM前所應用的功率》

頻率錯誤

Bluetooth規格中的所有頻率量測，都有賴於4μs或10μs的短閘週期，這會造成結果的差異，可利用以下方式來理解。第一種方式為較窄的時窗代表量測頻寬的截止頻率較高，因此會在量測中包含各種雜訊結構。第二種方法是考慮錯誤結構，例如量測裝置的量化錯誤或振盪器旁帶雜訊，它們在短週期中產生的比例會高過於較長的量測間隔，因為在後一種情況中，這些錯誤往往會被平均掉。除了晶體參考所造成的靜態錯誤之外，在設計限制中還必須考慮到這項事實。

頻率漂移

漂移量測將短期、10位元的相鄰資料組，與長期的跨叢發漂移結果結合在一起。如果在發射器中使用sample-and-hold設計，則此設計所造成的錯誤可能會很明顯。在其它的設計中，從4到100 kHz的多餘調變成份或雜訊，可以視同圖形中的漣波。這證實是確認電源供應器已經充分去耦的另一種方法。

調變

在發射器路徑中，(圖二)所示的VCO採直接調變的方式。為避免PLL去除頻寬內的調變成份，可以在傳輸時將它開啟，或使用相位錯誤更正（兩點調變）。sample-and-hold技術可能是有效的，但必須注意避免頻率漂移。除非使用數位技術來調整合成器的除頻比，否則就應校驗相位調變器，以避免不同資料碼型的調變響應缺乏平坦度。(圖四)顯示用於認證測試的典型調變模式。

《圖四　用於認證測試的調變模式》

Bluetooth RF規格會檢查11110000和10101010兩個不同碼型的峰值頻率差異。GMSK調變濾波器的輸出在2.5個位元之後達到最大，第一個碼型會檢查這一部份。GMSK濾波器的截止點和形狀，可利用第二個碼型來檢查。

理想上，1010碼型的峰值差異為11110000的88％，雖然有些設計因為在發射時未使用0.5BT的高斯濾波而顯示較高的比值。最高的基本調變頻率是500 kHz，即使位元傳輸率為1 Msymbol/s。(圖四)中左邊圖形的淺灰色軌跡，顯示I/Q不平衡狀態的效應。當擁有(圖七)所示的方塊圖之系統未經完整校驗時，便可能發生此種情形。

頻內頻譜

－20dB的測試確定調變與脈衝信號適合1MHz的寬頻。(圖五)中的方塊可被想成限制時窗。設定10kHz的解析頻寬，即為此用意。因為振幅脈衝的關係，這項量測必須使用peak hold。這種方法考慮到了偏離精確的中心頻率之波形，所以將它變成一個W率寬度而非固定的遮罩。如果信號位於遮罩中間，結果會非常類似。圖五的圓點是封包起始碼中的非資料0所造成的。

《圖五　－20dB量測》

相鄰通道量測被指定為以一系列的隨機頻率量測來執行。非閘控掃描是檢查這些問題的快速而簡單的方法。與GSM、DECT和PDC等其他TDMA系統不同的是，即使是一項合併量測，仍然可能會使用到閘。

頻外頻譜

頻率加倍技術常被用來防止RF耦合回VCO，而導致中心頻率拖曳。次諧波必須從RF輸出路徑中排除，尤其是當它們可能影響到GPS接收器（L2頻率為1222.7 MHz）或蜂巢式無線電裝置等co-sited功能的效能時。

(圖六)顯示一個不含次諧波，但卻產生高達9GHz諧波的設計中的信號。這項量測可利用標準的頻譜分析儀來執行。對研究工作來說，可以使用較快的掃描時間，但仍然需要好幾秒鐘。如果選擇較長的掃描時間，則擁有深度資料擷取緩衝區的較新型頻譜分析儀，可以在掃描過後放大特定的取樣點。

《圖六　寬頻旁生》

如(圖七)所示，有些設計會在發射與接收路徑中使用IQ混頻，優點是可以提高電路整合的層次，並將信號處理工作交由類比電路以外的數位信號處理。該圖描述的是一種混合的方法。有一些設計會在前端加入影像斥拒混頻。較高層次的矽整合，使得它的價格更為便宜。

所有這些IQ階段的校驗都必須仔細地說明。雷達與蜂巢式應用所發表的技術，描述可使用的序列和信號。直接將IQ調變應用到RF輸出，可能會對信號產生意外的影響。但調變器的調校錯誤並不會對頻率錯誤造成任何影響，因為頻率只是相位的改變率而已。然而要辨認頻譜中的錯誤可能不太容易。

《圖七　IQ調變器、數位解調器》

IQ調變中的錯誤，代表有振幅調變。這可以利用功率相對時間顯示圖來偵測，或使用向量分析儀來執行更詳細的研究。

IQ調變器也可以用來形成功率上下變換的情形，並指出閘控量測可能產生的值。在接收鏈中，誤碼量測必須先經過數位處理才能進行。在接收器的混頻器輸出和ADC輸入間找出一個DC區塊，以便確認零IF系統。像LO-RF回饋等瑕疵所產生的DC成份，會隨著輸入頻率而改變，必須妥善加以處理才行。通常會在RF通道頻寬的一半位置設定IF的Near-Zero IF，比較可能在初期被偵測出來。因此，旁帶抑制會是個問題。旁帶的快速計算法：0.1 dB的增益錯誤，或1度的相位錯誤，會使旁帶下降約40 dB。

分析IQ波形

向量分析儀可以解調相當大範圍的信號。雖然只包含直接應用的FSK的情況，可能無法保證額外的精密度，但在進行IQ設計的過程中，或考慮到Bluetooth 2、蜂巢式或WLAN等其他格式時，這個引數將會改變。

為了瞭解元件的行為特性，從多方向來分析元件很重要。(圖八)顯示以四種方式來檢視相同資料的範例。偏差檢視以快速的視覺方式，提供正確調變模式的確認結果。眼圖和FSK錯誤可以顯示出調變的品質。解調資料檢視則可讓使用者檢查前文、起始碼、同步文字與負載資料。

《圖八　FSK的多種檢視》

設計模擬

較高層次的整合，著重在模擬工具。除了可以迅速評估不同的電路拓樸之外，還有一些較先進的工具能為接收器提供更多有效及有瑕疵的信號。對Bluetooth技術來說，它蘊藏了一些最大的RF挑戰。因為電池會消耗，所以可測試限定位準的壓縮效能之效應，以及相位雜訊、差動路徑損耗、信號瑕疵與干擾 ──包括鄰近發射器的效應，這些會在Bluetooth單元耦合到行動手機時發生。

最近的產品開發，有兩個部份具備了很大的優點。第一是數位信號生成與向量信號分析區塊的整合，可以交替進行模擬與實際的測試。軟體產品與實體儀器間的連結，能夠迅速比較原型的結果。

第二個特色是設計指南，可以讓工具的設定自動化。讓使用者紛紛改用可進行真實電路評估的設計軟體，來代替以特定無線電技術的相關基本配置資訊來編程。

接收器測試

而前面所提及(圖二)顯示的鑑頻器，是屬於混頻器／調諧電路的鑑頻器。它看似簡單，但需要執行一些校驗。在分析設計特性的過程中，務必注意有些結果並不會呈現正常（高斯）分佈。原因在於使用的電路技術，而且基於調諧電路／混頻器組合的相位／頻率特性的關係，會有一個限制值。延遲線路鑑頻器是另一種選擇，但需要進行校驗。

前端放大器的設計與測試必須專注於干擾而非最可能出現的雜訊指數，或1dB的壓縮特性。有各種不同的技術可用來動態改變接收器鏈的增益，進而優化多餘信號的斥拒。在信號產生器中使用同步的脈衝振幅調變，可能是對AGC系統的叢發至叢發響應的一項值得進行的測試，尤其是在軟體控制的情況下。(圖九)顯示測試隔離接收器的量測路徑。

《圖九　測試隔離接收器的量測路徑 》

測試接收器跳頻

所有Bluetooth設計中都會使用一個本地振盪器。這麼做的副作用是在小於300μs的完整調諧範圍內，可能會造成它迴轉。當裝置以Bluetooth測試模式操作時，也可能發生這種情形。

在發射週期，可能會選擇接收測試頻率對面的ISM頻帶端，或其他任意一個點的頻率。VCO每一次都必須轉換回接收器頻率，如(圖十)所示。

《圖十　VCO交換／固定的RX通道》

每個叢發皆可用於資料傳輸，故可使用連續序列。這樣就不必執行信號源必須跳動的跳頻BER測試。雖然如此，在鏈路信令出現前，使用者仍必須安排信號產生器與待測元件的同步控制。

當位元轉換成數位格式後，就可執行BER測試。執行的方法有好幾種，(表一)列出了各種BER測試技術的摘要。

結語

Bluetooth技術使用快速跳頻（高達1600 hops/sec）的方法，並在2.4 GHz的頻率下操作。GFSK調變的運用，以及寬鬆的接收器靈敏度需求，考慮簡單的無線電設計。這些特性導致一些模組的出現，它們使用先前設計的系統所採用的技術，例如歐洲的DECT標準。

不過，Bluetooth裝置較低的目標價，迫使其他設計採行整合度更高的不同方法。系統整合單晶片、最低的功率消耗量、增強的干擾抑制以及優於規格的靈敏度等目標，使得它的設計與較高效能的無線電設計一樣充滿了挑戰性。本文回顧了直接調頻的VCO設計與數位IQ技術的差異，以及它們對量測所造成的影響。文中說明了Bluetooth調變特性量測如何驗證Direct FM設計所產生的信號之品質，以及載波頻率漂移（Carrier Frequency Drift）和ICFT如何讓IQ調變瑕疵消失無蹤。

此外，本文還說明執行W定時間為Bluetooth規格量測的優點。顯然無線電設計師必須取得完整的模擬與量測工具，才有可能完成一個可靠的Bluetooth設計。（作者任職於安捷倫科技）