Selbst vor dem Release der neuesten Spezifikation 4.2 der Bluetooth-Funktechnologie für den Nahbereich waren die Systementwickler begeistert davon, welches Potenzial Bluetooth für Smart-Mobilfunkgeräte bietet. Die Kombination von sehr niedrigem Stromverbrauch und Interoperabilität mit Milliarden von Smartphones, Tablets und Laptops, die heutzutage im Einsatz sind, schafft Raum für neue Lösungen.

Die Bluetooth-Smart Technology, die in der Spezifikation v.4.0 eingeführt wurde, ihre ursprüngliche Bezeichnung lautet „Bluetooth Low Energy“ (BLE), ist eine clevere neue Version der Bluetooth-Funktechnologie, die das gleiche Frequenzband und Modulationsverfahren nutzt wie das klassische Bluetooth (Classic Bluetooth), jedoch mit wichtigen Modifikationen, die den Stromverbrauch im Vergleich zu Classic Bluetooth drastisch gesenkt haben. Die Ähnlichkeit zum Classic Bluetooth ermöglichte es den Chipsatzherstellern, kostengünstige Dual-Mode-Module zu fertigen, die „Bluetooth Smart Ready“ und damit für den Einsatz mit Bluetooth Smart geeignet sind – und zwar für den Einsatz in Host-Computern, wie beispielsweise Smartphones und Laptops.

Bluetooth v.4.2 in der Industrie

Die Modifikationen haben das Bluetooth-Smart-Mobilfunkgerät für die periodische Übertragung kurzer Datenimpulse optimiert, denen lange Perioden im Stand-by-Modus folgen: Dadurch können Entwickler mobile Endgeräte wie zum Beispiel Sensoren und Aktoren konstruieren, die über Jahre mit einer einzigen Knopfzelle funktionstüchtig bleiben.

Das MT8852B eignet sich zur Messung der Bluetooth-Konformität.

Das MT8852B eignet sich zur Messung der Bluetooth-Konformität. Anritsu

Weiterhin erhöht die neue Bluetooth-Spezifikation v.4.2 die Attraktivität der Technologie für Systementwickler im industriellen und im Verbraucherbereich: durch Erweiterung der Nutzdatenlänge eines Bluetooth-Smart-Paketes von 31 auf 251 Oktette ist der über die Bluetooth-Smart-Geräte stattfindende Datenverkehr durch die neue Spezifikation viel besser für den nachfolgenden Versand über das Internet gerüstet. Anders gesagt ist die Bluetooth-Spezifikation 4.2 die IoT-Version (IoT: Internet der Dinge) von Bluetooth Smart.

Die in v4.2 vorgenommenen Änderungen haben deutliche Auswirkungen auf die Art und Weise, mit der Bluetooth-Smart-Chipsätze zu testen sind. Da die erhöhte Anzahl von Oktetten den Paketverarbeitungs-Overhead reduziert, hat die Messung des Datendurchsatzes einen weit höheren Stellenwert erlangt. Weitere Funktionen, die unter der standardmäßigen Bluetooth-Smart-Prüfspezifikation gemessen wurden, tragen zur Datendurchsatzkapazität des Endgerätes bei.

Um Entwickler dabei zu unterstützen, die Datendurchsatz-Prüfanforderungen für neue Bluetooth-Smart-Endgeräte zu erfüllen, liefert dieser Artikel einen Leitfaden für Tests, die gemäß neuer Spezifikation gefordert sind, und beleuchtet allgemeine Ursachen für den Ausfall von Endgeräten.

Payload-Referenzpakete

Eckdaten

Dieser Beitrag durchläuft quasi die verschiedenen Testverfahren zur Verifizierung der HF-Leistung eines Bluetooth-Smart-Endgerätes. Die einzelnen Tests stellen sicher, dass die Qualität des Designs ein akzeptables Niveau erreicht hat, und sie decken Aspekte ab, mit denen der Entwickler Fehler im HF-Design ermitteln kann. Die Durchführung und das erfolgreiche Bestehen der Tests mithilfe des Bluetooth-Messgerätes MT8852B von Anritsu überprüfen die Qualität des HF-Designs des Bluetooth-Smart-Endgerätes.

Alle auf Bluetooth-Smart-Endgeräten durchgeführten HF-Tests erfolgen unter Verwendung von LE-Referenztestpaketen. Die Testpakete haben je nach Verwendung eine feste Payload von PRBS9, 11110000 oder 01010101. Jedes dieser Prüfmuster liefert einen anderen Belastungsmechanismus für den Modulator und wird für die Art der durchzuführenden Messungen sorgfältig ausgewählt.

PRBS9 ist ein Pseudozufallsbitmuster, das zur Simulation von Live-Traffic dienen soll. Das Bit-Muster 11110000 lässt sich zum Überprüfen des Gaussfilters nutzen, da das Ergebnis eine volle Aussteuerung nach Aufeinanderfolge von vier Einsen und vier Nullen sein sollte. Das Bit-Muster 0101010101 wiederum ändert die spektrale Form des Sendersignals und liefert einen zusätzlichen Test für den Modulationsfilter. Ein idealer Gaussfilter erreicht ein Verhältnis von 88 % zwischen dem maximalen Frequenzhub des 01010101-Signals und des 11110000-Signals. Gemäß Bluetooth-Spezifikationen muss ein Wert von mindestens 80 % erreicht werden.

Die Steuerungsschnittstelle

Die Testdurchführung erfordert eine Trennung zwischen der Luftschnittstelle, über die der Test-Datenverkehr erfolgt, und der Steuerschnittstelle, über die das Messgerät das Prüfobjekt (EUT) ansteuert. Im Bluetooth-Messgerät MT8852B von Anritsu erfolgt die Übertragung der Steuersignale über eine drahtgebundene Verbindung (Bild 1). Diese Verbindung verfügt entweder über eine HCI-Schnittstelle oder über eine zweiadrige Schnittstelle; sie ermöglicht es dem MT8852B, die Sender-und Empfängerfunktionen des zu testenden Gerätes zu steuern und Ergebnisse zur Paketfehlerrate (PER) zu protokollieren.

Bild 1: Eine separate zweiadrige HCI-Schnittstelle trennt Steuersignale von der Bluetooth-Funkverbindung.

Bild 1: Eine separate zweiadrige HCI-Schnittstelle trennt Steuersignale von der Bluetooth-Funkverbindung. Anritsu

Vollständige und reduzierte Testabläufe

Bei der Erstellung eines Prüfprogramms für ein Bluetooth-Smart-Endgerät kann der Prüfingenieur mithilfe des MT8852B einen vollständigen Testablauf (Durchführung aller im MT8852B  implementierten Tests) oder einen reduzierten Testablauf mit ausgewählten Bestandteilen (Quick Test) durchführen. Der Testaufbau überprüft im Rahmen des Quick-Test die vier HF-Parameter Ausgangsleistung, Offset und Drift der Trägerfrequenz, Modulationseigenschaften sowie die Empfindlichkeit des Empfängers. Der Gesamttest-Ablauf ermöglicht dann zwei weitere Messungen – nämlich PER Report Integrity und die Messung des maximalen Eingangssignalpegels.

Bild 2: Ein Test der Ausgangsleistung misst die durchschnittliche Ausgangsleistung von 20 % bis 80 % des Sendesignals.

Bild 2: Ein Test der Ausgangsleistung misst die durchschnittliche Ausgangsleistung von 20 % bis 80 % des Sendesignals. Anritsu

Testen der Ausgangsleistung

Beim Testen der abgestrahlten Ausgangsleistung beeinträchtigt die Dämpfung  (oder Leistungs-Offset) die Messergebnisse, sodass sie aus dem Messergebnis heraus kalibriert werden muss, da die Dämpfung schnell 25 bis 30 dB erreichen kann. Aus diesem Grund sind die Prüfingenieure gut beraten, das EUT in einer abgeschirmten Box unterzubringen und zu befestigen, sodass sich jedes EUT in Bezug auf die Box in der gleichen Position befindet. Dadurch ist es nicht erforderlich, jedes Mal den Leistungs-Offset zu messen, wenn ein neues Gerät getestet wird.

Offset und Drift der Trägerfrequenz

Bild 3: Ein ideales Bluetooth-Smart-Datenpaket, wie es vom EUT mit einer stabilen Frequenz empfangen wurde.

Bild 3: Ein ideales Bluetooth-Smart-Datenpaket, wie es vom EUT mit einer stabilen Frequenz empfangen wurde. Anritsu

Der Test von Offset und Drift der Trägerfrequenz dient der Überprüfung der Genauigkeit der Trägerfrequenz des Senders. Über eine Analyse der 8 Bit der Präambel ermitteln die Ingenieure den Frequenz-Offset von der Mittenfrequenz. Zum Messen der Abweichung eines jeden Symbols muss das Signal demoduliert werden. Nach Durchführung der Demodulation erfolgt die Messung des Frequenz-Offsets inklusive Bildung des Mittelwerts, und zwar für jedes Bit der Präambel.

Um eine Feineinstellung der Frequenz vornehmen zu können, ist in den meisten Fällen eine Anpassung des Frequenz-Offsets erforderlich. Ein akzeptabler Wert für den Frequenz-Offset liegt bei unter 10 kHz. Ein höherer Offset tritt normalerweise dann auf, wenn das zu testende Gerät einen Quarz von geringer Qualität oder einen unsachgemäß eingestellten Chipsatz enthält. Dieser Test enthüllt zudem, ob der Quarz seine Frequenz beim Übergang von einem zum nächsten Präambel-Bit ändert.

Bild 4: Anzeichen für eine vorliegende Frequenzdrift.

Bild 4: Anzeichen für eine vorliegende Frequenzdrift. Anritsu

Ein idealer vom zu testenden Gerät gesendeter Datenpaketsatz zeigt eine gleichbleibende Frequenz, deren Mittenfrequenz an der richtigen Stelle liegt und die für das gesamte Datenpaket eine gleichmäßige Abweichung in der richtigen Höhe aufweist (Bild 3).

Frequenzdrift tritt auf, wenn der lokale Oszillator nicht in der Lage ist, die korrekte Frequenz zu halten und daher von dieser abweicht (Bild 4).

Modulationseigenschaften

Tests der Modulationseigenschaften dienen der Messung der Frequenzabweichung. Zur Durchführung der Messung übertragen die Systeme zwei verschiedene 8-Bit-Sequenzmuster (00001111 und 01010101) als Payload. Diese Kombination prüft sowohl den Modulator als auch den Pre-Modulationsfilter.

Bild 5: Empfang von BLE-Paketen mit instabiler Modulation.

Bild 5: Empfang von BLE-Paketen mit instabiler Modulation. Anritsu

Modulationstests spiegeln die Stabilität des Quarzes sowie die Leistung des Modulator-Schaltkreises des Chipsatzes wider. Dabei beeinträchtigt das digitale Rauschen sowohl den lokalen Oszillator als auch den Modulator. Ursachen für dieses Rauschen können zum Beispiel die Stromversorgung oder die übertragenen Leistungsspitzen sein. Um eine durch die Stromversorgung bedingte Drift der Frequenz zu vermeiden, muss der Mobilfunkentwickler das Bluetooth-Gerät von anderen Schaltkreisen trennen. Anderenfalls stellen sich die Bluetooth-Smart-Datenpakete gemäß Bild 5 dar.

Receiver-Empfindlichkeit

Der Test zur Messung der Empfänger-Empfindlichkeit misst den Mindestsignalpegel, bei dem das EUT die maximal zulässige PER erreicht. Hierfür senden die Ingenieure Bluetooth-Smart-Datenpakete mit speziellen Fehlern an den Receiver des EUT, um dann die PER der wiederhergestellten Payload zu messen.

Die Bluetooth-Testspezifikation definiert zehn unterschiedliche Signaltypen des Typs „Dirty“ (fehlerhafte Datenpakete). Die Störungen umfassen Frequenzdrift, Trägerfrequenz-Offset und Symboldrift.

Prüfingenieure sollten fehlerhafte Aufbauten für Receiver-Empfindlichkeitstests vermeiden, die auftreten können, wenn die Over-the-Air-Prüfsignale nicht in einem abgeschirmten Gehäuse übertragen werden oder wenn die durchgeführten Tests unter Verwendung eines gebrochenen oder beschädigten Kabels stattfinden und wenn die Testumgebung mehrere aktive Wi-Fi- oder Bluetooth-Smart-Endgeräte aufweist.

PER Report Integrity

Bild 6: Leistung im Vergleich zur Paketfehlerrate PER.

Bild 6: Leistung im Vergleich zur Paketfehlerrate PER. Anritsu

Der Test der PER Report Integrity überprüft, ob die Rückmeldung der PER vom EUT gültig ist. Innerhalb des MT8852B erfolgt dieser Test durch das Senden einer zufälligen Anzahl von Bluetooth-Smart-Datenpaketen an das EUT und Prüfen der CRC-Daten. Durch eine zufällige Anzahl kann die PER-Kalkulation nicht verfälscht werden. Die Bluetooth-Prüfspezifikation gibt vor, dass das EUT eine PER-Empfindlichkeit von 30,8 % bei -70 dBm nicht überschreiten darf, wobei die meisten BLE-Endgeräte typischerweise 30,8 % PER bis unterhalb von -90 dBm erreichen. Der Leistungspegel gegenüber der PER ist in Bild 6 zu sehen.

Einige Bluetooth-Endgeräte überschreiten das Maximum von 30,8 % PER bei -70 dBm. Im Allgemeinen tritt diese Überschreitung auf, weil das Gehäuse des Gerätes (zum Beispiel ein Metallgehäuse) eintretende Signale zu sehr dämpft. PER ist wegen der erweiterten Paketlänge von 251 Oktetten ein besonders wichtiger Parameter für Bluetooth-Smart-v.4.2-Endgeräte. Dadurch können die neusten Bluetooth-Smart-Endgeräte eine viel größere Datenmenge transportieren. PER steht im linearen Verhältnis zum Datendurchsatz: Eine PER von x % führt zu einem Abfallen des Datendurchsatzes um x %, verglichen mit dessen normalem Maximum.

Datendurchsatzmessungen wiederum sind wichtig, weil sie die Leistung des HF-Frontends widerspiegeln. Beim Testen des Datendurchsatzes des gesamten Endgerätes beeinflussen der Betrieb des Anwendungsprozessors sowie das HF-Frontend die Messung. In einem Endgerät mit schlechten HF-Eigenschaften ist der Anwendungsprozessor nicht in der Lage, die vollständigen Daten zu verarbeiten. Dies führt zu Paketverlusten, was sich wiederum in der PER widerspiegelt.

Test des maximalen Eingangssignalpegels

Der Test des maximalen Eingangssignalpegels ermittelt den Receiver-Sättigungspunkt. Eine Leistungssteuerung findet man bei Bluetooth-Smart derzeit nicht. Daher muss das EUT zeigen, dass es mit einer relativ hohen Eingangsleistung zurechtkommt. Aus diesem Grunde wird der Test mit einem Eingangssignal von -10 dBm durchgeführt, im Gegensatz zu Tests für Basic-Rate- oder Enhanced-Data Rate-Endgeräten, bei denen das Eingangssignal lediglich -20 dBm beträgt.

Der Test erfolgt bei niedrigster, mittlerer sowie höchster Frequenz und belegt, dass der Receiver in der Lage ist, das übertragene Signal bei -10 dBm zu demodulieren. Dabei überträgt das System eine Anzahl von Bluetooth-Smart-Referenzpaketen an das EUT, um von diesem erfasst werden zu können. Anschließend liest der MT8852B über die HCI- oder die zweiadrige Schnittstelle diesen Wert und vergleicht ihn mit dem Sollwert. Eine PER-Messung erfolgt zur Überprüfung der Receiver-Leistung. Die PER darf 30,8 % nicht überschreiten. Liegt eine Überschreitung vor, dann ist in der Regel das HF-Systemdesign des Bluetooth-Endgeräts mangelhaft oder die Verstärkungsregelung oder die Impedanz des Geräts ist fehlerhaft.

Die bei der Überprüfung des maximalen Eingangssignalpegels gewonnenen Testergebnisse geben, wie auch die oben beschriebenen Ergebnisse anderer Tests, dem Prüfingenieur einen detaillierten Einblick in die Funktion des Prüfobjekts. Durch den Einsatz eines auf dem modernen Stand der Technik befindlichen speziellen Bluetooth-Messgerätes kann der Prüfingenieur zudem sicherstellen, dass die Verarbeitung des neuen erweiterten Bluetooth-Smart-Datenpaketes durch das Endgerät die Vorgaben der Bluetooth-Spezifikation v.4.2 problemlos erfüllt.