藍牙低功耗OTA測試系統的無線性能驗證問題解決方案

目前，藍牙低功耗技術（BLE）正迅速成為部署最為廣泛的無線技術之一，在資產跟蹤、健身監測、定位服務和遙感等各種應用領域中廣為使用。 BLE 設備通常外形小巧、堅固耐用，且常常完全封裝在保護外殼中，以防受到環境影響。這種封裝設計給設計工程師和測試工程師帶來特殊的挑戰：該如何在不使用任何射頻或數字連接的情況下進行無線性能驗證？

一種解決辦法是采用無線（OTA） BLE測試，這種測試方法可以對發送器與接收機性能進行快速的參數化驗證。眾所周知，發送器和接收機同等重要，但對于BLE設備而言，要驗證接收機的OTA性能尤為困難，亟需一種全新的測量方法。本文將探討幾種旨在確定BLE OTA 誤包率（PER）和接收機靈敏度的全新測量技術。

OTA測試方法解決兩大關鍵挑戰

挑戰 1：在典型的非OTA測試中，需要使用UART或USB連接等數字通信方法來控制待測設備（DUT）。進行接收機測試時，首先將設備置于準備接收數據包的狀態，然后測試系統發送已知數量的數據包，再對設備進行查詢，以確定其成功接收的數據包數量。測試系統將使用這些信息計算PER，這是業內用來量化接收機性能的標準方法。在OTA測試中，沒有直接連線通信，因此其挑戰在于設計出一種新方法來確定是否正確接收到數據包。

解決方案 1：要在不使用有線連接的情況下確定PER，OTA測試解決方案必須利用標準BLE無線協議消息來確定是否接收到數據包。BLE設備采用分布在2.4 GHz頻段上的三種特定廣播頻率傳送數據。

1：上圖所示為 BLE 廣播、掃描請求和掃描響應事件的功耗與時間關系。

配有接收機的設備在每次發送廣播數據包后，會在短時間內偵聽名為Scan_Request的特定BLE消息。此消息通常由附近要與廣播設備通信的設備發出。如果廣播設備接收到此Scan_Request消息，將使用Scan_Response消息進行響應。圖1的功耗與時間關系圖反映的即是這種模式。廣播設備首先發送一個廣播數據包（以藍色指示），附近的工作站隨后發出Scan_Request消息（以橙色指示），廣播設備接著發出Scan_Response消息（仍以藍色指示）。

BLE設備的常規操作中會發生這種消息交換，OTA測試系統正是利用這一行為來測量PER。在接收機測試期間，DUT首先發送廣播數據包，隨后測試系統發送Scan_Request消息，如果DUT接收到該數據包，將通過Scan_Response消息進行應答。測試系統將跟蹤發送的Scan_Request數量和接收的Scan_Response數量，并使用該信息計算接收機PER。

進行靈敏度測量時，測試系統通過調整射頻信號電平來確定產生特定PER的射頻電平。此射頻電平是反映接收機質量的通用方法，稱為接收機靈敏度。這種使用廣播數據包Scan_Request消息和Scan_Response消息的方法不僅可以準確確定接收機的PER或靈敏度，而且不需要與DUT建立任何直接的有線通信，BLE OTA測試儀正是采用這種方法。

挑戰 2：與Wi-Fi或蜂窩網絡等其他常見的無線技術相比，BLE具有更低的數據傳輸速率。接收機測試中需要使用大量數據包，來保證測量結果具有準確性和統計意義。

由于數據傳輸速率低，生產環境中的BLE接收機測試往往需要較長時間，致使成本大幅增加。毋庸置疑，這種測試時間長且成本更高的方法并不可取，因此第二大挑戰是：要設計出一種新的測量方法，既能準確地確定PER，相比現有傳統PER測試方法又能大大減少使用的數據包數。

解決方案 2：要確定接收機靈敏度，通常需要測量一系列射頻電平下的PER。藍牙SIG（制定藍牙性能技術規范的組織）規定，必須使用1，500個數據包來測量接收機靈敏度。如果使用上述廣播方法，典型BLE設備在每個電平下往往需要幾分鐘時間才能接收這么多的數據包。而且，如果在多個射頻電平下進行測量，那么一次完整的接收機靈敏度測試可能需要花費10多分鐘的時間。

這在許多應用場合顯然是不合適的，因而需要找到一種更快捷的新方法。為了解決這一問題，OTA測試解決方案必須使用一種算法來快速確定PER的分布曲線。這種方法稱為“快速PER測試法”，專用于快速確定產生50% PER時的接收機靈敏度。

在執行快速PER測試期間，測試儀首先在任意射頻電平下發送單個數據包（Scan_Request）。在數據包得到應答后，降低射頻電平并在此更低的新電平下發送下一個數據包。如果數據包未得到應答，則提高射頻電平并在此更高的電平下發送下一個數據包。測試儀運用一種智能算法調整射頻電平的步長并記錄得到應答和未得到應答的電平，從而以最少數量的數據包快速而準確地繪制出“誤包率分布曲線”。

圖 2 所示為BLE設備的傳統PER曲線。PER曲線對曲線50%點處的射頻電平變化最為敏感，因此快速PER算法會搜索此50%點。在射頻電平變動期間，大多數的數據包在接近50%點的射頻電平下發送；由于算法在此50%區域上收斂，因此，射頻電平步長也會調整為更小值。這種DUT接收機靈敏度測量方法具有很好的準確和可重復性，并且需要的數據包數量很少，與在一系列不同射頻電平下使用大量數據包的傳統蠻力PER掃描方法相比，所需數據包數不足其 5%。

總結

射頻設計人員需要使用最終設計來驗證可交付產品的性能，而不能僅僅依賴于板級測量，板級測量測得的射頻性能可能與成品的真實情況存在很大偏差。在制造過程中，測試工程師通常無法使用板級射頻和數字連接，因此他們需要使用無線式的快捷測試方法來獲得準確且可重復的結果。 OTA BLE測試解決方案可以幫助技術人員有效解決在測量中的這些關鍵挑戰。借助這些系統，工程師可以構建更好的設計，同時制造商也可以使用參數化數據來驗證制造質量。 對于BLE設備而言，一旦無法獲得良好的無線通信，設備將無法正常運轉，因此無線性能顯得至關重要。如今，這些BLE OTA測試解決方案將有助于相關人員設計出更優秀的產品，同時幫助制造商制造出符合要求的產品。