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有了ST7008, 蓝牙测试完全拿捏住了

2022-07-07 18:03:00 【专业ATE提供商】

从智能家居、智慧城市、智能工业等领域，不断更新迭代的蓝牙设备给人们提供了一个无限可能的智能生活场景。蓝牙已经融入我们生活的方方面面，悄无声息地改变着我们的生活习惯，让我们的日常生活变得更加便利。在我们身边曾经简朴、分割的一切，现在都开始连接，并且变得智能。

回顾蓝牙V1.0 到 V5.2 的技术变迁，从音频传输、图文传输、视频传输，再到以低功耗为主打的物联网传输。蓝牙无线技术以其加密措施完善，传输过程稳定以及兼容设备丰富等诸多优点从众多无线传输技术中脱颖而出。尤其是在授权门槛逐渐降低的今天，蓝牙技术开始真正普及到各类数码设备。

随着蓝牙技术的广泛应用，蓝牙IC的市场需求量不断增加，ATE测试作为蓝牙IC生产环节中重要一环，也是IC质量的关键把关途径，它是非常耗费成本的一个工序，如何能满足客户越来越高的测试性能要求同时又兼顾成本考量，成了ATE厂家面临的新挑战。

今天小编就带着大家来聊一聊关于蓝牙IC ATE测试的那些事。在开始聊测试方案之前我们先一起学习一下蓝牙技术以及蓝牙技术更新迭代发展史。

一、蓝牙概述

蓝牙技术是一种尖端的开放式无线通讯标准，能够在短距离范围内无线连接桌上型电脑与笔记本电脑、便携设备、PDA、移动电话、拍照手机、打印机、数码相机、耳麦、键盘甚至是电脑鼠标；

蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps，采用时分双工传输方案实现全双工传输。

相比于其他无线技术：红外、无线2.4G、WiFi来说，蓝牙具有加密措施完善，传输过程稳定以及兼容设备丰富等诸多优点。尤其是在授权门槛逐渐降低的今天，蓝牙技术开始真正普及到所有的数码设备。不过，蓝牙这一路走来也并非完美，从1.0到4.2，再到现在的5.0，是一个不平凡的过程。

二、蓝牙技术发展史

第一代蓝牙：关于短距离通讯早期的探索

1999 年：蓝牙 1.0

早期的蓝牙 1.0 A 和 1.0B 版存在多个问题，有多家厂商指出他们的产品互不兼容。同时，在两个设备“链接”（Handshaking）的过程中，蓝牙硬件的地址（BD_ADDR）会被发送出去，在协议的层面上不能做到匿名，造成泄漏数据的危险。

因此，当 1.0 版本推出以后，蓝牙并未立即受到广泛的应用。除了当时对应蓝牙功能的电子设备种类少，蓝牙装置也十分昂贵。

2001 年：蓝牙 1.1

蓝牙 1.1 版正式列入 IEEE 802.15.1 标准，该标准定义了物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）规范，用于设备间的无线连接，传输率为 0.7Mbps。但因为是早期设计，容易受到同频率之间产品干扰，影响通讯质量。

2003 年：蓝牙 1.2

蓝牙 1.2 版针对 1.0 版本暴露出的安全性问题，完善了匿名方式，新增屏蔽设备的硬件地址（BD_ADDR）功能，保护用户免受身份嗅探攻击和跟踪，同时向下兼容 1.1 版。此外，还增加了四项新功能；

AFH（Adaptive Frequency Hopping）适应性跳频技术，减少了蓝牙产品与其它无线通讯装置之间所产生的干扰问题；

支持 Stereo 音效的传输要求，但只能以单工方式工作。

第二代蓝牙：发力传输速率的 EDR 时

2004 年：蓝牙 2.0

蓝牙 2.0 是 1.2 版本的改良版，新增的 EDR（Enhanced Data Rate）技术通过提高多任务处理和多种蓝牙设备同时运行的能力，使得蓝牙设备的传输率可达 3Mbps。

蓝牙 2.0 支持双工模式：可以一边进行语音通讯，一边传输文档/高质素图片。

同时，EDR 技术通过减少工作负债循环来降低功耗，由于带宽的增加，蓝牙 2.0 增加了连接设备的数量。

2007 年：蓝牙 2.1

蓝牙 2.1 新增了 Sniff Subrating 省电功能，将设备间相互确认的讯号发送时间间隔从旧版的 0.1 秒延长到 0.5 秒左右，从而让蓝牙芯片的工作负载大幅降低。

另外，新增 SSP 简易安全配对功能，改善了蓝牙设备的配对体验，同时提升了使用和安全强度。

第三代蓝牙：High Speed，传输速率高达 24Mbps

2009 年：蓝牙 3.0

蓝牙 3.0 新增了可选技术 High Speed，High Speed 可以使蓝牙调用 802.11 WiFi 用于实现高速数据传输，传输率高达 24Mbps，是蓝牙 2.0 的 8 倍。

蓝牙 3.0 的核心是 AMP（Generic Alternate MAC/PHY），这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。

功耗方面，蓝牙 3.0 引入了 EPC 增强电源控制技术，再辅以 802.11，实际空闲功耗明显降低。

第四代蓝牙：主推” Low Energy”低功耗

2010 年：蓝牙 4.0

蓝牙 4.0 是迄今为止第一个蓝牙综合协议规范，将三种规格集成在一起。其中最重要的变化就是 BLE（Bluetooth Low Energy）低功耗功能，提出了低功耗蓝牙、传统蓝牙和高速蓝牙三种模式：

”高速蓝牙“主攻数据交换与传输；“传统蓝牙”则以信息沟通、设备连接为重点；”低功耗蓝牙“以不需占用太多带宽的设备连接为主，功耗较老版本降低了 90%。

2013 年：蓝牙 4.1

蓝牙 4.1 在传输速度和传输范围上变化很小，但在软件方面有着明显的改进。此次更新目的是为了让 Bluetooth Smart 技术最终成为物联网（Internet of Things）发展的核心动力。

支持与 LTE 无缝协作。当蓝牙与 LTE 无线电信号同时传输数据时，那么蓝牙 4.1 可以自动协调两者的传输信息，以确保协同传输，降低相互干扰。

2014 年：蓝牙 4.2

蓝牙 4.2 的传输速度更加快速，比上代提高了 2.5 倍，因为蓝牙智能（Bluetooth Smart）数据包的容量提高，其可容纳的数据量相当于此前的10倍左右。

改善了传输速率和隐私保护程度，蓝牙信号想要连接或者追踪用户设备，必须经过用户许可。用户可以放心使用可穿戴设备而不用担心被跟踪。

第五代蓝牙：开启「物联网」时代大门

2016 年：蓝牙 5.0

蓝牙 5.0 在低功耗模式下具备更快更远的传输能力，传输速率是蓝牙 4.2 的两倍（速度上限为 2Mbps），有效传输距离是蓝牙 4.2 的四倍（理论上可达 300 米），数据包容量是蓝牙 4.2 的八倍。支持室内定位导航功能，结合 WiFi 可以实现精度小于 1 米的室内定位。针对 IoT 物联网进行底层优化，力求以更低的功耗和更高的性能为智能家居服务。

2020年1月7日，在美国拉斯维加斯举办的CES2020展会上，蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group，简称SIG）宣布即将发布新一代蓝牙音频技术标准—低功耗音频LE Audio，新一代蓝牙音频技术打破了经典蓝牙音频的市场垄断地位，开创了蓝牙无线音频新市场。LE Audio不仅在音频质量上面做出了提升，更是加入了低功耗特性，使得蓝牙音频能够在更多场景中应用。

在介绍完蓝牙技术的发展史后，相信大家对蓝牙技术已经有了一个初步的认识，接下来小编将以BLE（低功耗蓝牙）为例，带大家再来聊一聊蓝牙IC的测试要求以及ATE测试方案；

三、BLE测试需求

1. 蓝牙测试中关键技术点介绍

（1）蓝牙协议栈

Generic Access Profile（GAP）

前面Link Layer虽然对连接建立的过程做了定义，但它并没有体现到Application（或者Profile）层面，而GAP则是直接与应用程序或配置文件通信的接口，它实现了如下功能：定义GAP层的蓝牙设备角色（role），定义GAP层的用于实现各种通信的操作模式（Operational Mode）和过程（Procedures），定义User Interface有关的蓝牙参数，包括蓝牙地址、蓝牙名称、蓝牙的PIN码等；

主机控制接口层（Host Controller Interface，简写 HCI）：定义Host（主机）和Controller（控制器）之间的通信协议，这一层可以是软件或者硬件接口，如UART、SPI、USB等。

Link Layer用于控制设备的射频状态，设备将处于Standby（待机）、Advertising（通告）、Scanning（扫描）、Initiating（初始化）、Connection（连接）这五种状态中的一种。

由于BLE属于无线通信，则其通信介质是一定频率范围下的频带资源（Frequency Band）；BLE的市场定位是个体和民用，因此使用免费的ISM频段（频率范围是2.400-2.4835 GHz）；为了同时支持多个设备，将整个频带分为40份，每份的带宽为2MHz，称作RF Channel。

（2） BLE物理通道

经过上面的定义之后，BLE的物理通道已经出来了，即“频道分别是‘f=2402 +k * 2 MHz, k=0, … ,39’，带宽为2MHz”的40个RF Channel。

在链路层，将40个信道分为广播信道和数据信道，有3个信道是advertising channel（广播通道），分别是37、38、39，用于发现设备（Scanning devices）、初始化连接（initiating a connection）和广播数据（broadcasting date）；剩下的37个信道为data channel（数据通道），用于两个连接的设备间的通讯。

广播信道分散在距离较远的频段上，过度的集中会导致如果该频段受干扰严重，可能广播就无法进行的情况，分散的目的是为了增加容错率。

（3）蓝牙包格式

• 常见蓝牙数据包类型很多，但是通常只有DH (Data High-rate) and DM (Data Medium-rate) 两种类型会被应用于生产测试中。

• DH、DM均有三种等级，分别为单时隙、3倍时隙和5倍时隙，每个DM或DH数据包后标有相应的数字，用来指示该数据包的长度。

• Standard Data Rate (1Mbps)

* DH1, DH3, DH5

* DM1, DM3, DM5

• EDR 2Mbps Data Rate (pi/4-DQPSK modulation)

* 2-DH1, 2-DH3, 2-DH5

* 2-DM1, 2-DM3, 2-DM5

• EDR 3Mbps Data Rate (8DPSK modulation)

* 3-DH1, 3-DH3, 3-DH5

* 3-DM1, 3-DM3, 3-DM5

（4）蓝牙有效载荷类型（payload）

在生产测试中有三种不同的payload（有效载荷）类型，每一种payload侧重device 的一种测试：

• PRBS9

* 发送频谱分布接近实际信号的伪随机序列，测试device工作性能；

• 10101010

* 针对调制滤波器模块；

* 通过显著改变频谱形状对发射机输出能力进行压力测试；

• 11110000

* 主要用来检测DUT内部高斯滤波器；

（5）蓝牙自适应跳频技术

蓝牙技术是工作在2.4GHz免费工业频段上的短距离无线通信技术，同时工作在2.4G频率上的还有其他无线通信标准，例如802.11。我们知道如果两种频率同时工作在同一个频率段，那么就会产生相互干扰，造成数据传输质量降低。因此早期的蓝牙设计者考虑了这些问题后，决定采用调频的技术避免和802.11的频率竞争，即在每一个固定的频率上只驻留很短的时间然后在换一个频率进行数据的通信。

• 自适应跳频技术（AFH）是建立在自动信道质量分析基础上的一种频率自适应和功率自适应控制相结合的跳频技术。该技术能使跳频通信过程自动避开被干扰的跳频频率点，并以最小的发射功率、最低的被截获概率，达到在无干扰的跳频信道上，长时间保持优质的通信；

• 该功能主要通过SCAN进行测试，并且如果PLL测试通过就可以保证该功能可以工作；

2. 蓝牙发射机特性测试（TX）：

* Output Power

通过Output Power测试，验证最大峰值功率和平均射频输出功率；

初始条件：

DUT设置在最大功率下的直接TX模式；

DUT的初始状态置为环回(Loop back)；

链路为Frequency hopping，白噪声被关闭

仪表发射的有效负载为PRBS9；

规范要求峰值功率<23dBm，平均功率<20dbm；

如果DUT的功率等级为1，平均功率>0dbm；

如果DUT的功率等级为2，-6dbm<平均功率<4bm；

如果DUT的功率等级为3，平均功率<0dbm；

* Modulation Characteristics

调制特性是一种频率偏差测量方法，主要是对调制指数的验证；

初始条件：

调制方式采用的是GFSK；

DUT的初始状态置为环回(Loop back)；

关闭Frequency hopping；

两种不同类型的有效负载：

0xF0(11110000)：∆f1

0x55(10101010)：∆f2

测试log指数满足以下条件：

140kHz ≤ ∆f1avg ≤ 175kHz（至少99.9%的∆f1avg满足）

∆f2max ≥ 115kHz（至少99.9%的 ∆f2max满足）

∆f2avg/∆f1avg ≥ 0.8

* 20dB Bandwidth

测试验证在工作频率范围内的排放是否在限制范围内；

初始条件：

DUT设置在最大功率下的直接TX模式；

白噪声关闭，关闭跳频(Frequency hopping)；

芯片分别工作在低、中、高三个频点；

蓝牙测试仪扫频找到相对应的最大功率的频点；

找到在最大功率左右两侧对应功率下降20dB时的fL和fH，20dB的∆f=|fH-fL|，要求∆f<1MHz；

* In-band emissions

测试主要验证在设备使用的频率范围内，来自DPSK发射机的有害信号水平低于要求的水平；

初始条件：

DUT设置为最大输出功率下直接TX模式；

关闭白噪声、跳频，固定频率测试(fTX=2406MHz、2440MHz、2476MHz)；

设置线损；

DUT配置最大输出功率；

有效负载为PRBS9数据格式；

测试评估的标准：

在fTX=2406MHz、2440MHz、2476MHz时，PTX≤20dBm(满足Out Power Classes即可)；

在fTXz±2MHz时，PTX≤-20dBm；

在fTXz±[3+n]MHz，n=0，1，2……时，PTX≤-30dBm；

3. 蓝牙接收器测试（RX）：

* Sensitivity -signal slot packets

测试目的：使用非理想发射机（单插槽数据包）测试灵敏度。此测试用例详细地定义了发送到IUT的信号。IUT应满足该非理想信号所要求的灵敏度。

初始条件：

DUT的初始状态置为环回(Loop back)；

关闭Frequency hopping；

DUT以最大输出功率发送回测试器；

测试仪的传输功率选择为使DUT接收机的输入功率为-70dBm；

* Sensitivity -multi slot packets

测试目的：多时隙数据包以灵敏度级别发送到DUT。（允许的最大长度）。此测试用例详细地定义了发送到DUT的信号。DUT应满足该非理想信号所要求的灵敏度。