Autofahrer mit Headset. (Bild: Rohde & Schwarz)
Bluetooth ist ein Funkübertragungsmedium, mit dem sich Audiodaten zwischen Geräten übertragen und Kontrollaufgaben durchführen lassen. Über eine Bluetooth-Verbindung können Anwender Telefonate führen und zur Unterstützung ihr Telefonbuch vom Smartphone in das fahrzeuginterne Infotainmentsystem laden. Auch auf einem Smartphone gespeicherte Musik oder Podcasts lassen sich über eine Bluetooth-Verbindung abspielen.
Einige Infotainmentsysteme geben Kurznachrichten (SMS) als Sprachnachrichten aus. Bei manchen Fahrzeugen kann der Fahrer, sobald sich sein Smartphone mit dem Infotainmentsystem verbunden hat, darüber auch Apps bedienen. Das kann ein Navigationssystem sein oder ein Infoservice für Verkehrsnachrichten, Wetterprognosen oder Hotels, Tankstellen und Restaurants im Umkreis.
Bild 1: Die Testplattform R&S CMW von Rohde & Schwarz eignet sich für zahlreiche Funktechniken. Der modulare Ansatz erlaubt individuelle Konfigurationen für die Entwicklung, die Fertigung und den Service von Funkkomponenten. Rohde & Schwarz
Vor-Zertifizierungstests
Bei der Entwicklung solcher Funk-Komponenten sind komplexe und oft aufwendige Tests notwendig, die reproduzierbar und möglichst schnell durchführbar sein sollten. Um die Komponenten auf dem Markt anwenden oder verkaufen zu können, müssen sie Zertifizierungen in offiziell zugelassenen Testhäuser durchlaufen, was oft beachtliche Kosten verursacht. Durch Vor-Zertifizierungstests (Pre Certification) mit geeigneten Messmitteln im eigenen Labor kann der Hersteller vorab prüfen, ob das Gerät die Kriterien der offiziellen Abnahme erfüllt oder ob Änderungen erforderlich sind.
Für Pre-Certification-Tests an Bluetooth-Komponenten eignen sich zum Beispiel die Breitband-Funkkommunikationstester der Reihe R&S-CMW von Rohde & Schwarz. Sie sind von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) als Messmittel zugelassen und für HF- und Audio-Tests in Entwicklung, Produktion und Service einsetzbar. Mit den Geräten können Anwender realistische Bedingungen für Netzwerke wie Bluetooth, WLAN, LTE-A, WCDMA oder GSM nachbilden.
Eckdaten
Die Breitband-Funkkommunikationstester der Reihe R&S-CMW von Rohde & Schwarz sind von der Bluetooth Special Interest Group zugelassen und eignen sich für Audio- und HF-Tests an Bluetooth-Komponenten in den Bereichen Entwicklung, Fertigung und Service. Auch Koexistenztests mit anderen Funktechniken sind möglich.
Durch das parametrische Testkonzept lassen sich sämtliche Parameter selbst einstellen. Gleichzeitig hat der Benutzer eine Lösung zur Hand, um automatisierte Pre-Qualifizierungstests für Bluetooth Basic Rate, Enhanced Data Rate sowie Bluetooth Low Energy gemäß der Bluetooth-Kernspezifikationen 2.0, 2.1+EDR, 3.0+HS, 4.0, 4.1, 4.2 durchzuführen. Dafür sorgt unter anderem auch die R&S CMWrun Sequencer Software.
Koexistenztests bei mehreren Funktechniken
Der Anwender kann die Tests auch auf andere Funktechniken ausweiten, da viele Geräte neben Bluetooth auch WLAN, GNSS und Mobilfunktechniken wie LTE, LTE-A, WCDMA und GSM unterstützen. Wenn die Komponente für WLAN und Bluetooth die gleiche Antenne nutzt, lassen sich die Tests für beide Funktechniken in einer Testkonfiguration ausführen. Falls der R&S CMW mit den entsprechenden Hard- und Software-Optionen ausgestattet ist, lassen sich sämtliche integrierte Funkmodule einer Komponente bis zur Vor-Zertifizierung testen.
Bild 2: Zum Testen des Mikrofons eines Bluetooth-Headsets erzeugt der Audiogenerator des Bluetooth-Testers das Audiosignal, das über einen Referenzlautsprecher an das zu prüfende Mikrofon gelangt. Das Mikrofon überträgt das Audiosignal dann via Bluetooth-Link zum Audio-Analyzer des Testers, der das Signal misst und mit dem ursprünglich ausgesendeten Signal vergleichen kann. Rohde & Schwarz
Dabei können Entwickler auch überprüfen, ob und in wie weit sich die einzelnen Funkmodule gegenseitig beeinflussen, und notwendige Maßnahmen definieren. Auch dieser Koexistenztest ist mit der Testerfamilie R&S CMW möglich. Als einzige Testplattform bietet die Familie R&S CMW die Möglichkeit, mit nur einem Gerät alle zellularen und nicht-zellularen Standards wie WLAN und Bluetooth zu testen.
Außer Audio- und HF-Tests während der Entwicklung bietet die Messplattform Hardware- und Software-Optionen für den Einsatz in der Fertigung, sodass sich der Tester an die Messanforderungen vor Ort anpassen lässt. Die R&S CMWrun Sequencer Software erlaubt dabei auch automatisierte Fertigungstests. Über die Software ist es zudem möglich, den Tester in ein umfassendes Testsystem zu integrieren. Die Plattform bietet dabei alle wesentlichen Messungen.
Kriterien für Audio-Messungen
Bei Bluetooth-Audioübertragungen ist eine störungsfreie Tonwiedergabe mit möglichst hoher Qualität und ohne Aussetzer entscheidend. Aus diesem Grund durchlaufen Bluetooth-Headsets sowie Mikrofone und Lautsprecher mit den beteiligten Funk-Komponenten des Infotainmentsystems diverse HF-Tests, die eine fehlerfreie Bluetooth-Übertragung gewährleisten. Zum anderen sollte das System eine gute Klangqualität bieten. Dies lässt sich über Audioanalysen prüfen, die den Frequenzgang, den Klirrfaktor und das Rauschen testen sowie eine detaillierte Spektraldarstellung des Signals anbieten.
Bild 3: Zum Testen der Lautsprecher eines Headsets erzeugt der Audiogenerator des Bluetooth-Testers ein Audiosignal und sendet es per Bluetooth-Link zum Headset. Dort wird es verstärkt und per Sound-Konverter in ein akustisches Signal gewandelt. Dieses Signal wird zur Messung von Referenzmikrofonen abgenommen und über Referenzverstärker zum Audio-Analyzer des Testers geführt, wo es sich darstellen und auswerten lässt. Rohde & Schwarz
Aufgrund der niedrigen Frequenzen im Audiobereich spielen Einschwingzeiten, etwa von Filtern, eine Rolle. Deshalb sollte das Messgerät nicht nur bei Pegelmessungen, sondern auch bei komplexen Analysen wie dem Klirrfaktor inklusive Rauschen (THD+N-Messungen, Total Harmonic Distortion and Noise) auf die Frequenz des Prüfsignals abgestimmt sein und so die Messung in der kürzest möglichen Zeit ausführen können.
Ein Bluetooth-Messgerät muss eine vollständige Bluetooth-Verbindung mit einem SCO-Link oder ACL zum Prüfling aufbauen können. Der Tester sollte außerdem alle für Audioübertragungen relevanten Codecs und Profile unterstützen. Momentan sind für Testzwecke folgende Codecs und Profile erforderlich. Das schmalbandige CVSD-Codec sowie das breitbandige mSBC-Codec in Verbindung mit dem Handsfree-Profil sowie das breitbandige SBC-Codec mit dem A2DP-Profil. Außerdem sollte der Tester für die genaue Audioanalyse in der Lage sein, Befehle zur Pegeleinstellung von Mikrofon und Lautsprechern zu senden. Diese Pegeleinstellungen sind im Audio Video Remote Control Profile (AVRCP) der Bluetooth SIG spezifiziert. Ist das verwendete Messgerät von der Bluetooth SIG zugelassen, ist das alles gewährleistet.
Relevante Audiotests für Entwickler
Der Breitband-Funkkommunikationstester R&S CMW von Rohde & Schwarz überprüft die Bluetooth-Audioqualität mithilfe eines integrierten Zweikanal-Audiogenerators und bietet dafür unterschiedliche Messverfahren an. Über den Multitone-Modus kann ein Entwickler für jeden Audiokanal bis zu 20 Töne definieren (Pegel und Frequenz) und die zugehörigen Frequenzantworten messen.
Audio-daten
per Bluetooth
Die Übertragung von Audiodaten über Bluetooth basiert auf den Classic-Spezifikationen der Bluetooth Special Interest Group (SIG). Aufgrund des effektiven Datendurchsatzes von 0,7 bis zirka 2,1 MBit/s und des Adaptiven Frequency Hoppings (AFH) als Übertragungsverfahren gilt die Bluetooth-Classic-Technologie als störunempfindliche Kurzstrecken-Funktechnik für Entfernungen bis 10 m. Die heute zunehmend verbreitete Bluetooth-Low-Energy-Technik, auch Bluetooth Smart genannt, gibt es erst seit der Bluetooth-Spezifikation 4.0 aus dem Jahr 2010. Sie wird derzeit nicht für Audio-Übertragungen verwendet. Beide Bluetooth-Technologien werden seitdem parallel weiterentwickelt.
Bluetooth Classic arbeitet mit einer synchronen Verbindung (Link) für die Sprachübertragung (Synchronous Connection Oriented, SCO) sowie einer asynchronen Verbindung für die Datenübertragung (Asynchronous Connectionless Link, ACL). Bei der synchronen Verbindung lassen sich Audiosignale mit verschiedenen Bluetooth-Profilen übertragen.
Das Handsfree-Profil (HFP) für Freisprechanlagen etwa überträgt die Audiosignale vom Mikrofon in Fahrernähe via Infotainmentsystem an das Smartphone und in die Gegenrichtung. Bei Sprachübertragungen im HFP kommt der Sprach-Codec CVSD (Continuously Variable Slope Delta Modulation) mit einer maximalen Übertragungsrate von 64 kBit/s zum Einsatz.
Für die Stereo-Wiedergabe von Musik, die auf einem Gerät mit Bluetooth-Schnittstelle gespeichert ist, dient das Advanced Audio Distribution Profile (A2DP). Laut Bluetooth-Standard müssen A2DP-Quellen generell den Audio-Codec Low Complexity Subband Codec (SBC) unterstützen, der lizenzfrei einsetzbar ist. Bei der SBC-basierenden Übertragung von Musik aus dem Smartphone dekomprimiert das Gerät zunächst die meist in komprimierter Form gespeicherte Musik und komprimiert sie danach für die Bluetooth-Übertragung mit dem SBC-Algorithmus. Die mögliche Bitrate der SBC-Codierung ist mit bis zu 345 kBit/s so hoch, dass der Verlust beim Empfänger im nicht mehr hörbaren Bereich liegt und sich eine gute Audioqualität gewährleisten lässt. Diesen Bluetooth-Audiostrom sendet das Smartphone über ACL an das Infotainmentsystem, das ihn über Kabel an die Lautsprecher weitergibt.
Im Einton-Modus (Singletone) lassen sich für ein Sinussignal zahlreiche Parameter bestimmen, wie zum Beispiel Audio-Level, Frequenz, SINAD (Signal-to-Noise and Distortion), Klirrfaktor (THD) sowie Klirrfaktor mit Rauschen (THD+N). Zudem sind verschiedene Filter für die Audiomessung zuschaltbar.
Stereoübertragung von Musik
Die Stereoübertragung von Musik erfolgt über das A2DP-Profil mit SBC-Codierung und nutzt den breitbandigen ACL zur Datenübertragung. Bluetooth-Geräte, die A2DP unterstützen, müssen Signale von SBC-Codecs korrekt verarbeiten können. Dabei zeigen Tests mit SBC-codierten Signalen über einen ACL, ob der Prüfling auch längere Pakete korrekt überträgt. Darüber hinaus ist es sinnvoll, wenn der Bluetooth-Tester alle Betriebsarten des erweiterten SBC-eCodecs wie Dual, Mono, Stereo und Joint Stereo (Dual-Mode für High-Quality-Übertragungen) analysieren und ausspielen kann. Ist das Mikrofon eines Bluetooth-Headsets zu testen, betrifft das nicht nur das Mikrofon, sondern auch den Audio-Eingangsverstärker und den A/D-Wandler des Headsets (Bild 2). Für die Messung erzeugt der Audiogenerator im Messgerät das Audiosignal, das über einen Referenzlautsprecher an das zu prüfende Mikrofon gelangt. Das Mikrofon überträgt das Audiosignal dann via Bluetooth-Link zum Audio-Analyzer des Messgeräts. Dieser misst das ankommende Signal und vergleicht es mit dem ursprünglich ausgesendeten.
Sind die Lautsprecher eines Headsets zu testen, umfasst das auch den D/A-Wandler und den Ausgangsverstärker des Headsets (Bild 3). Der Audiogenerator des Bluetooth-Testers erzeugt dazu ein Audiosignal und sendet es per Bluetooth-Link zum Headset. Dort wird es verstärkt und per Sound-Konverter in ein akustisches Signal gewandelt. Dieses Signal wird zur Messung von Referenzmikrofonen abgenommen und über Referenzverstärker zum Audio-Analyzer des Testers geführt, wo es darstellbar und auswertbar ist. Die Audiotests am Bluetooth-Modul eines Infotainment-Systems erfolgen auf entsprechende Weise.
HF-Tests für Entwickler
Bei der Entwicklung von Geräten mit Bluetooth-Schnittstelle sind Funktionsprüfung, Interoperabilitätstests sowie die Reichweite relevant. Für die Reichweite sind die Empfänger-Empfindlichkeit und die Sendecharakteristik der Komponente entscheidend.
Um die Sendercharakteristik einer Bluetooth-Komponente zu messen, muss der Entwickler Kennwerte wie Leistung, Spektrum, Frequenzgenauigkeit, Frequenzdrift, Frequenzhub und den daraus errechneten Modulationsindex reproduzierbar ermitteln. Darüber hinaus ist die Empfängerempfindlichkeit ein wichtiger Parameter für ein Bluetooth-Gerät. Diese Messung wird mit einem vom Bluetooth-Tester künstlich verschlechterten Signal (Dirty Transmitter) gemessen.
Empfängertests des Bluetooth-Moduls erfolgen über Daten, die mit hoher Genauigkeit von einem Generator an den Empfänger gesendet werden. Die Datenanalyse erfolgt entweder über Rücksendung der Bit-Sequenz durch den Empfänger oder über die Analyse durch einen externen Steuer-PC.
Darüber hinaus sind an neu entwickelten Bluetooth-Komponenten weitere HF-Signalisierungstests und Spektrumsmessungen notwendig, bis sie eine Bluetooth-Zulassung durch die Bluetooth SIG erhalten. Die Kommunikationstester der Reihe R&S CMW unterstützen neben den beschriebenen Audiomessungen alle 38 derzeit definierten HF-Signalisierungstests der Bluetooth SIG mit allen Testfällen und sind von der Bluetooth SIG zugelassen. Bei den aufwendigen Spektrumsmessungen, die Teil der Bluetooth-Qualifizierungstests sind, liefert der R&S CMW bereits nach weniger als einer Sekunde erste Testergebnisse, wozu sonst kein Bluetooth-Tester in der Lage ist.
Dieter Mahnken
Ute Philipp
(hb)
