蓝牙低功耗OTA测试系统破解无线性能的验证难题

shuszhao

目前，BLE技术正迅速成为部署最为广泛的无线技术之一，在资产跟踪、健身监测、定位服务和遥感等各种应用领域中广为使用。 BLE 设备通常外形小巧、坚固耐用，且常常完全封装在保护外壳中，以防受到环境影响。这种封装设计给设计工程师和测试工程师带来特殊的挑战：该如何在不使用任何射频或数字连接的情况下进行无线性能验证？
目前，蓝牙低功耗技术(BLE)正迅速成为部署最为广泛的无线技术之一，在资产跟踪、健身监测、定位服务和遥感等各种应用领域中广为使用。 BLE 设备通常外形小巧、坚固耐用，且常常完全封装在保护外壳中，以防受到环境影响。这种封装设计给设计工程师和测试工程师带来特殊的挑战：该如何在不使用任何射频或数字连接的情况下进行无线性能验证？
一种解决办法是采用无线(OTA) BLE测试，这种测试方法可以对发送器与接收机性能进行快速的参数化验证。众所周知，发送器和接收机同等重要，但对于BLE设备而言，要验证接收机的OTA性能尤为困难，亟需一种全新的测量方法。本文将探讨几种旨在确定BLE OTA 误包率(PER)和接收机灵敏度的全新测量技术。


OTA测试方法解决两大关键挑战

挑战 1：在典型的非OTA测试中，需要使用UART或USB连接等数字通信方法来控制待测设备(DUT)。进行接收机测试时，首先将设备置于准备接收数据包的状态，然后测试系统发送已知数量的数据包，再对设备进行查询，以确定其成功接收的数据包数量。测试系统将使用这些信息计算PER，这是业内用来量化接收机性能的标准方法。在OTA测试中，没有直接连线通信，因此其挑战在于设计出一种新方法来确定是否正确接收到数据包。
解决方案 1：要在不使用有线连接的情况下确定PER，OTA测试解决方案必须利用标准BLE无线协议消息来确定是否接收到数据包。BLE设备采用分布在2.4 GHz频段上的三种特定广播频率传送数据。

                               
登录/注册后可看大图

                               
登录/注册后可看大图

1：上图所示为 BLE 广播、扫描请求和扫描响应事件的功耗与时间关系。
配有接收机的设备在每次发送广播数据包后，会在短时间内侦听名为Scan_Request的特定BLE消息。此消息通常由附近要与广播设备通信的设备发出。如果广播设备接收到此Scan_Request消息，将使用Scan_Response消息进行响应。图1的功耗与时间关系图反映的即是这种模式。广播设备首先发送一个广播数据包（以蓝色指示），附近的工作站随后发出Scan_Request消息（以橙色指示），广播设备接着发出Scan_Response消息（仍以蓝色指示）。
BLE设备的常规操作中会发生这种消息交换，OTA测试系统正是利用这一行为来测量PER。在接收机测试期间，DUT首先发送广播数据包，随后测试系统发送Scan_Request消息，如果DUT接收到该数据包，将通过Scan_Response消息进行应答。测试系统将跟踪发送的Scan_Request数量和接收的Scan_Response数量，并使用该信息计算接收机PER。
进行灵敏度测量时，测试系统通过调整射频信号电平来确定产生特定PER的射频电平。此射频电平是反映接收机质量的通用方法，称为接收机灵敏度。这种使用广播数据包Scan_Request消息和Scan_Response消息的方法不仅可以准确确定接收机的PER或灵敏度，而且不需要与DUT建立任何直接的有线通信，BLE OTA测试仪正是采用这种方法。
挑战 2：与Wi-Fi或蜂窝网络等其他常见的无线技术相比，BLE具有更低的数据传输速率。接收机测试中需要使用大量数据包，来保证测量结果具有准确性和统计意义。
由于数据传输速率低，生产环境中的BLE接收机测试往往需要较长时间，致使成本大幅增加。毋庸置疑，这种测试时间长且成本更高的方法并不可取，因此第二大挑战是：要设计出一种新的测量方法，既能准确地确定PER，相比现有传统PER测试方法又能大大减少使用的数据包数。
解决方案 2：要确定接收机灵敏度，通常需要测量一系列射频电平下的PER。蓝牙SIG（制定蓝牙性能技术规范的组织）规定，必须使用1,500个数据包来测量接收机灵敏度。如果使用上述广播方法，典型BLE设备在每个电平下往往需要几分钟时间才能接收这么多的数据包。而且，如果在多个射频电平下进行测量，那么一次完整的接收机灵敏度测试可能需要花费10多分钟的时间。
这在许多应用场合显然是不合适的，因而需要找到一种更快捷的新方法。为了解决这一问题，OTA测试解决方案必须使用一种算法来快速确定PER的分布曲线。这种方法称为“快速PER测试法”，专用于快速确定产生50% PER时的接收机灵敏度。
在执行快速PER测试期间，测试仪首先在任意射频电平下发送单个数据包(Scan_Request)。在数据包得到应答后，降低射频电平并在此更低的新电平下发送下一个数据包。如果数据包未得到应答，则提高射频电平并在此更高的电平下发送下一个数据包。测试仪运用一种智能算法调整射频电平的步长并记录得到应答和未得到应答的电平，从而以最少数量的数据包快速而准确地绘制出“误包率分布曲线”。

                               
登录/注册后可看大图

                               
登录/注册后可看大图

图2：BLE DUT的典型误包率(PER)曲线。
图 2 所示为BLE设备的传统PER曲线。PER曲线对曲线50%点处的射频电平变化最为敏感，因此快速PER算法会搜索此50%点。在射频电平变动期间，大多数的数据包在接近50%点的射频电平下发送；由于算法在此50%区域上收敛，因此，射频电平步长也会调整为更小值。这种DUT接收机灵敏度测量方法具有很好的准确和可重复性，并且需要的数据包数量很少，与在一系列不同射频电平下使用大量数据包的传统蛮力PER扫描方法相比，所需数据包数不足其 5%。


总结

射频设计人员需要使用最终设计来验证可交付产品的性能，而不能仅仅依赖于板级测量，板级测量测得的射频性能可能与成品的真实情况存在很大偏差。在制造过程中，测试工程师通常无法使用板级射频和数字连接，因此他们需要使用无线式的快捷测试方法来获得准确且可重复的结果。 OTA BLE测试解决方案可以帮助技术人员有效解决在测量中的这些关键挑战。借助这些系统，工程师可以构建更好的设计，同时制造商也可以使用参数化数据来验证制造质量。 对于BLE设备而言，一旦无法获得良好的无线通信，设备将无法正常运转，因此无线性能显得至关重要。如今，这些BLE OTA测试解决方案将有助于相关人员设计出更优秀的产品，同时帮助制造商制造出符合要求的产品。