藍牙從最早期的1.0版本不斷演進，今日已經發展到3.0版本，而再加上與其他新興技術的整合，藍牙的傳輸範圍愈大、速率愈快。不過，正因為功能愈強，藍牙技術門檻也隨之提升。業者唯有時時掌握技術的最新發展，才能推出最佳產品。
現代科技日趨進步，已有越來越多科技步入商業化，亦有更加便利的技術問世，如藍牙(Bluetooth)便是其中之一。雖然在現實中，無論何處皆易於看到藍牙的蹤跡和應用，但卻衍生出不少應用上所發生的問題，同時增加測試難度與量產時間。
藍牙出貨愈增
現在不少新產品都支援藍牙，如電腦周邊、數位相機、家電產品、汽車電子等，甚至可以說幾乎所有的4C產品都可看到藍牙的身影。一般預估，2008年結束時，市面上將有51%的手機具備藍牙功能(圖1)；而2010年時，每年藍牙晶片的出貨量即可望到十億顆(圖2)；若以相關應用產品為例，每周更有五百萬個產品出貨(圖3)。
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| 圖1 2007～2008年手機內建藍牙置出貨量 |
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| 圖2 2004～2010年藍牙晶片出貨量預估 |
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| 圖3 2004～2010年各級藍牙晶片出貨量 |
但今日在這些產品上運作的Bluetooth+EDR，3Mbit/s速度已顯得不足，特別是針對智慧型手機、數位相機及MP3音樂播放器的應用，加上數位相機(DSC)持續追求高畫質，也使得記憶體容量愈增，使其資料傳輸上需要更高的傳輸速率，才能進行來儲存、移動或備份。
未來的藍牙使用者有兩種選擇：一是由於藍牙版本可以向下相容，使用者若不需要高速傳輸，可採用現行的藍牙技術v2.0加上EDR，進行如藍牙耳機或車上免持聽筒(CAR Kit)等應用；或是透過超寬頻(Ultra Wide Band, UWB)技術，在10呎的範圍內，以53.3M～480Mbit/s的速度進行傳輸。
在不遠的未來，藍牙可以進入到數位家庭領域，各種垂直產業如醫療照顧、數位家電、電腦周邊及手機上都能延伸，使其應用超越個人裝置。
先天特性有助藍牙起飛
當然，要談商機以前，勢必對相關技術多所了解。藍牙目前在工業/科學/醫療(Industry, Science and Medical, ISM)頻帶上使用2.402G～2.480GHz頻率範圍、GFSK與DPSK的調變、1,600hops/s、耗電量小，其傳輸速率最高可到3Mbit/s，但實際大約只有2.1Mbit/s，發射功率Tx Power 0～20dBm，有效距離0～100公尺，但是業界與市場仍舊對藍牙寄予深切的期待與厚望，主要是有個穩定及共通的平台(Bluetooth Core Spec)。被定位在個人網路(PAN)的應用，例如藍牙免持聽筒(CAR Kit)、立體聲及單音耳機(Stereo & Mono Headsets)、手機(Mobile Phone)等。
由表1可以看到藍牙是使用2.4GHz免執照頻段(Unlicensed Band)，但現在有無線區域網路(WLAN)、ZigBee也都使用在這個頻帶範圍上。
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| 表1 各頻段使用現狀 |
像是新一代的手機、3C產品大多會同時加上藍牙與WLAN的模組，或直接就是一個共存模式(Combo Module)。但使用免費頻寬的缺點，就是無法確定是否有別人在使用這個頻率，也很容易被干擾，所以使用這個區域的頻率都要有一些特別的技術去防止干擾訊號，如加密、跳頻等。
如藍牙在v1.2以上的版本，就擁有自動適應性的跳頻(Adaptive Frequency Hopping, AFH)功能，如遇干擾訊號時，會自動跳到其他頻率，避開有干擾訊號的頻段。不過，為了使其加速避開跳頻離開干擾的頻率範圍，藍牙封包(Bluetooth Packet)會由高速傳輸速率(Data High, DH)的封包會變成中等傳輸速率(Data Medium, DM)、長封包(DH5)會變成短封包(DH3)，如表2。
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| 表2 跳頻影響之變化 |
此外，當發射端與接收端的在做AFH動作時，會互相溝通去同步跳頻避開干擾訊號，所以高速傳輸速率成為中等傳輸速率。若已有干擾訊號進來，為了縮短在同一頻段上所傳輸的時間太長，可能造成其後面所傳輸的資料都是錯的，DH5就會變成DH3，以方便趕快離開這個干擾的頻率範圍。
進行藍牙測試時，若遭遇干擾訊號，或因路徑損耗所造成的訊號溢漏或被干擾，都會讓封包傳輸速率變慢。也就是說在生產線上若沒有把測試站上的測試治具(Test Fixture)和隔離箱(Shielding Box)的訊號溢漏及隔離度設計完善時，就有可能造成量測速度變慢，測試時間拉長。
因為AFH是為了解決藍牙與WLAN共存互相干擾的問題而存在，因此現在有愈來愈多的藍牙產品必須參加這項AFH測試，例如車上免持聽筒、藍牙耳機(Bluetooth Headset)製造商原本認為，車上免持聽筒與藍牙耳機因沒有WiFi模組，所以不須做AFH驗證測試。但問題是，多半現行和車上免持聽筒與藍牙耳機連結的裝置，大多是PC或手機，且具有複合(Combo)功能，所以當藍牙耳機與其他複合手機或PC進行資料傳輸時，若此時也有WiFi在工作，就常會造成藍牙不正常斷線(Disconnect)。
藍牙在這數年來已有非常廣泛的應用，逐漸擴大、共通的規範解決了高辨識率的問題，藍牙應用已經不再局限在耳機裡，將藍牙無線技術的應用拓展至醫療、保健及健身市場，確保醫療照護與運動健身器材，利用GSM、網際網路等藍牙應用作為中繼基地台，與醫療照護系統達成通聯，實現遠距醫療照護產業裡最重要的遠距醫療照護平台。
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在通訊模式中，其主要是由子網路(Piconet)透過點對點及點對多點的主從式架構(Master and Slave)進行運作，所以會有Piconet和Scatternet。尤其在做射頻(RF)測試時，測試儀器必定為Master模式，待測物(DUT)必為Slave模式；但若進行的測試為功能性測試(Profile or Throughput)或聲音的測試(Audio)，則不在此限制之內。
在圖4中，A區代表標準的Piconet、測試儀器為Master，待測物則為Slave。且這些動作模式都可以晶片廠商或藍牙開發軟體的程式指令或預先的韌體設定(Firmware)來下達命令。B、C區則都是Scatternet，但必須都是Master與Slave的傳輸。值得一提的是，Master與Master、Slave與Slave都無法連結與傳輸。
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| 圖4 從屬規畫示意圖 |
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在音訊測量(Audio Measurement)的部分，則可以利用語音資料傳輸(Synchronous Connection-oriented, SCO)和Profile兩種方式進行測試。SCO(或稱之為extended-SCO, eSCO)Link可實際驗證其同步連結時上所載的聲音封包特性，如HV1、HV2、HV3與DM等。Profile Link適用於耳機、免持聽筒、立體聲規格A2DP等，並大多是解決藍牙互通性或產品功能上的問題，特別針對基頻(BB)與通訊協定(Protocol)而設計。
所以在研發或工廠端作測試時，必須選擇SCO Link驗證其音訊特性。雖有很多工程師為了省麻煩，就忽略SCO方式的測試。但是這樣往往沒辦法實際驗證其聲音的特性如何，若聲音的品質不佳，就不知道是基頻、通訊協定、Profile或SCO上有問題。
目前市面上許多藍牙耳機，因為便於與其他藍牙進行連接與資料傳輸，因此多數在出貨給消費者時，都已設定為檔案模式，來連結或傳輸聲音的資料。
現有的藍牙產品愈增，免不了會碰到許多同頻干擾的問題，特別是在Bluetooth v2.0以上的版本，傳輸速率增加，調變特性也改變了。但為了避開多重路徑干擾(Multi-path Interference)，所以在其封包中增加保護區間(Guard Interval)，其限定時間為4.75～5.25微秒，在其後的資料負載(Payload)的地方才是實際傳輸的檔案資料。 |
新興技術整併加速爆發
新版本的藍牙將整合超寬頻(Ultra Wide Band, UWB)，將傳輸速度提升至480Mbit/s，遠高於現行Bluetooth 2.0+EDR的3Mbit/s。且超寬頻技術將與藍牙互相兼容，並維持藍牙無線技術的主要優勢，包括低耗電量、低成本、點對點網路、內建安全功能及配合行動裝置等。而能否向下相容市場上逾五億個藍牙裝置，亦是重要的考慮因素之一。藍牙技術聯盟指出，超寬頻聯盟之一的WiMedia聯盟，提供的WB-OFDM UWB技術方案能滿足以上各項條件，雙方正密切合作以確保整合兩項技術的高速傳輸方案，能在對低耗電量有所需求的行動裝置上有最佳表現。
UWB則是強調超高傳輸速度的短距無線通訊技術，DS-OFDM與多頻段正交多頻分工(MB-OFDM)，號稱具有10公尺的傳輸範圍，不過目前實際測試的結果約接近2～3公尺。它使用了不同於大部分無線電通訊的無線電波技術來傳輸資料，透過更廣的頻率送出許多又短又高的資料脈衝(Pulse)，因此能夠以相對較少的電力在短距離內傳送大量的資料。MB-OFDM可說是IEEE 802.11a/g技術的延伸，可分別從WLAN技術內容中看到影子。
超寬頻可提供有如固網的資料傳輸品質，因此適用於需要更高資料傳輸速率的消費電子裝置。例如，可容納多部MPEG-4電影的媒體播放機，就需要每秒可傳1Gbit/s的UWB功能，才能在數秒之內傳完整部電影。
對藍牙有興趣的業者們都特別關注Bluetooth v3.0 UWB這項已在開發中的新技術，並希望相關產品的問世可增加更快的資料傳輸速率。
不過一般預期，大約也要在2008年第二季以後才會有Bluetooth v3.0核心規格(Core Spec)問世，而第一個藍牙加超寬頻的產品也許會在一年半或兩年後推出。
至於無線USB(Wireless USB, WUSB)則沒有藍牙的認證及傳輸方式，藍牙以技高一籌的特性，並隨著技術規範的提升已日趨成熟。目前藍牙擁有全球標準統一認證測試規範與測試技術人員，所以消費者所使用的任一項藍牙產品皆可任意互相連接及傳輸資料。此外，現存的WUSB起始頻段在3GHz，該頻率非常接近手機的使用頻段，也是藍牙技術聯盟與相關業者沒有選擇WUSB的原因。
超寬頻與藍牙水乳交融
既然要談更高的傳輸速率，就有必要多了解超寬頻。超寬頻目前有兩個聯盟，分別是UWB論壇與WiMedia聯盟。不過藍牙技術聯盟日前宣布，將選擇WiMedia聯盟的MB-OFDM UWB技術，結合現有藍牙無線技術，以實現高速、高數據傳輸率的新一代藍牙技術。
藍牙的特色如共通架構、共通標準型封包格式為業者解決很多互通的技術問題(Interoperability Issue)，包含資料傳輸(Asynchronous Connection-oriented, ACL)與SCO等。再加上藍牙已加裝在許多的產品及市場上應用，因而選擇與超寬頻技術結合將有利無害。
今日已有越來越多的產品問世，也將增加傳輸速率、頻譜範圍，在加入新技術以後，藍牙應用到簡單的超寬頻頻段，不但毋須做任何不同的設定和改變，更可直接提高傳輸速率，讓消費者直接感受高速傳輸速率的好處。
根據藍牙技術聯盟與WiMedia聯盟的協議，雙方將攜手推動UWB技術取得全球監管機構認可、合作發展一個既毋須個別申請無線執照、亦能在高於6GHz的無線頻譜上運作的高速傳輸方案，以回應歐洲及亞洲地區相關監管機構的訴求。
MB-OFDM在超寬頻如魚得水
目前超寬頻使用免照頻段，所占的頻段為3.1G～10.6GHz，更不乏802.11a使用的5GHz頻帶與全球微波存取互通介面(Worldwide Interoperability for Microwave Access, WiMAX)使用的3.5GHz頻帶等。
超寬頻的關鍵技術MB-OFDM UWB將1.6GHz切成三個528MHz次頻帶，傳輸時每傳一個312.5奈秒的符元(Symbol)就要跳到下一個528MHz次頻帶，切換時間只有2奈秒。不過，基頻在傳送完一個符元後，到下一個符元前會有9.5奈秒的間隔，以待射頻切換次頻帶後穩定。
MB-OFDM UWB的每個次頻帶皆為528MHz，因此數位類比轉換電路(ADC/DAC)工作速率至少是528MHz，精度至少是4位元。對ADC與DAC設計而言，如何兼顧性能與功耗將是一大挑戰。此外，MB-OFDM UWB與802.11a/g工作原理相近，然其最高速率480Mbit/s為802.11a/g僅54Mbit/s的8.89倍，對於基頻工程師而言同樣是門檻。
相對的MB-OFDM主張使用複雜的OFDM調變來發送，認為OFDM調變技術可以使頻段資源獲得更高的利用，在相同頻段下可以擁有較大的傳輸通量與距離(圖5)。
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| 圖5 各頻段傳輸距離 |
雖MB-OFDM的傳輸率較高，但缺點是電路設計與運作都較為複雜，裝置較為耗電，這對使用電池運作的行動式裝置、手持式裝置而言並不利。而超寬頻技術的實際運用，將會有很大的比重是在行動式、手持式裝置上，因此這是必須加強的關鍵。
除此之外，兩種超寬頻技術因應法規上要求的偵測與避免(Detection And Avoidance, DAA)也有不同的難度，對MB-OFDM技術而言比較簡單，只要去除不同的資料音(Data Tone)即可達成。
如此來看，這場技術提案的發表，可說是再次證明業界走向OFDM的決心，雖然OFDM調變方式較複雜、收發較為耗電，但為了在相同頻段下獲取更大的資料傳輸通量，就必然要使用OFDM技術。
而且，OFDM不僅在無線個人區域網路的領域獲勝，在無線區域網路、無線廣域網路也都成為必行的主流，這也是WiFi會用IEEE 802.11g取代IEEE 802.11b的原因，同時也是WiMAX會自行推翻1999～2003年間的制訂成果之因，更是3G後續會走向HSOPA的原因。
正交多頻分工轟動問世
近期所有通訊技術，幾乎全部都提及OFDM這項技術，該技術是一種多載波調變技術，已成為新的無線通訊應用中最熱門之傳輸調變選擇。使用OFDM技術可增加頻寬、降低干擾、提高保密性並解決多路徑衰減等通訊障礙。OFDM利用平行傳輸的觀念，將寬頻訊號分成多個窄頻訊號傳送，若依據通道環境來選擇適當的載波數，讓訊號頻寬小於通道的同調頻寬，即可克服多重路徑問題。
如圖6，在WiMedia UWB射頻頻帶中，可選用3.1G～10.6GHz，讓每個頻帶都各有528MHz頻寬。
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| 圖6 藍牙與無線USB占用頻段圖 |
全名為Orthogonal Frequency Division Multiplex的OFDM，特色包括每頻帶中具有528MHz頻寬，可擁有一百二十二個次載波(Sub-carrier)，且每個次載波的調變模式為QPSK(圖7)與雙重載波調變(Dual Carrier Modulation, DCM)(圖8)，符元時間為312.5奈秒，並具有三個跳頻頻道(Channels Hopping)(圖9)。
其算式為：
A : 振幅大小
Φ: 角度
Ts : 時間週期
t : 時間
其正交(Orthogonal)由多項式構成的正交函數的通稱。
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| 圖7 QPSK調變應用 |
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| 圖8 DCM調變應用 |
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| 圖9 OFDM跳頻頻道 |
從圖10與圖11可知，假設如果定義在〔a﹐
〕上的函數
(t)與g(t)滿足等式
f(t)。g(t)dt=0﹐則稱它們在[a﹐
]上關於
(x)是正交的正負半週的面積=0，所以若每個載波間隔的時間若都一樣，在同一時間裡，不同的時間週期的函數若正交(=0)，所交互涵蓋的面積則相等。
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| 圖10 OFDM振幅大小與角度關係 |
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| 圖11 OFDM相關函數圖示 |
再利用快速傅立葉轉換(FFT)，彼此各個載波之間的頻率就不會在同一點上，進而大大降低了互相干擾的情形，而OFDM的調變就是利用這樣的特性去延伸應用在超寬頻之MB-OFDM上，增加其傳輸速率，並降低其多重路徑干擾。當然，不同的調變模式下，會有不同的資料傳輸速率。頻帶與功率的關係如圖12。
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| 圖12 不同頻帶間功率亦有差別 |
而不同技術也在不同頻段上運作，如3G～10GHz為超寬頻，WUSB使用3,168M～4,752MHz，藍牙超寬頻則使用7,392M～8,976MHz。藍牙超寬頻方塊圖如圖13。
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| 圖13 藍牙超寬頻方塊圖 |
一般會在2.4GHz上傳輸聲音，8GHz進行大量資料傳輸，如MP3音樂、影像(Video)與圖片等。其基本傳輸速率由53.3M～480Mbit/s不等，但這畢竟是理想值，實際情形如何就看各廠表現如何了。
而目前所適用的文件WiMedia PHY Specification RF Test Spec，詳細規範ECMA-368只有短短的五頁，雖說業者大部分會參照這份規格，實際如何仍須等待正式發行的藍牙UWB v.3.0規格發布。據悉，核心標準工作小組(Core Specification Working Group, CSWG)大致上會參照ECMA-368的規範定義來延伸。
測試難題待跨越
當藍牙傳輸速度越快，因此業界也必須注重射頻特性，以及如何驗證實際的吞吐量(Throughput)。隨著Bluetooth Core Spec規範提升，目前藍牙最新的版本是Bluetooth v.2.1+EDR，藍牙技術聯盟現在正在探討如何提高傳輸速率，降低消耗功率，並推及更廣大的市場。首當其衝地，則是在測試時所須注意的事項。
詢問模式不可省
確認連接模式後，接下來要注意的是通訊傳輸步驟的問題。一般建議，最好在進行射頻特性測試時，必須依照藍牙的標準認證測試規範(Bluetooth RF Test Spec)。根據測試規範所定義的測試項目，以詢問(Inquiry)的方式來連接待測物進入測試模式(Bluetooth RF Test Mode)，而非固定藍牙位址(BD Address)的方式測試(圖14)。
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| 圖14 藍牙連結流程圖 |
主要的原因是，在詢問模式(Inquiry Mode)中，有許多動作的模式正在進行，透過封包的傳輸來做配對連結，可驗證不同的藍牙裝置或產品能否互相連結及傳輸。若只執行呼叫(Page)的方式，也就無法判定產品能否配對、能否尋得到其他不一樣的藍牙裝置、傳輸資料過程中會否中斷等問題(圖15)。
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| 圖15 藍牙配對流程圖 |
矛盾的是，這多為晶片上基頻與媒體存取(MAC)層的問題，所以不少開發人員直接跳過詢問的步驟，直接以傳呼來連結。然而，儘管這樣可縮短測試時間，但若開發人員未先行驗證詢問的模式是否正常，也就無法確保待測物可以搜尋別的藍牙裝置，或是可以被其他藍牙裝置連結。
吞吐量測試變數大
關於吞吐量的測試，必須考量諸多環境因素，如多重路徑干擾和藍牙本身特性等。通常會運用兩種測試方式，分別為直線波(Line of Sight, LoS)和非直線波((Non Line of Sight, Non-LoS)。
在藍牙的領域裡，若遇到干擾源時會自動跳頻，Bluetooth v1.2以上的版本皆有此功能。就技術面來說，藍牙會降低傳輸速率和縮短封包長度，以因應快速的跳頻避開其干擾頻段。
由公式裡，我們可知無線傳播距離、半徑範圍、路徑損耗、衰減(Fading)效應、多重路徑干擾都會對單一的接收端或多個接收端造成很大的影響，降低訊號品質和傳輸速率，所以須將天線間的功率損耗(Loss)補償值，計算好並設定在量測誤差裡，特別是對Bluetooth v2.0、v2.1與v3.0來說，傳輸速率愈來愈快，又都是不同的調變模式如GFSK、DPSK、MB-OFDM，所以路徑損耗(Path Loss Offset)更是相當重要。
直線波傳送公式：
非直線波傳送公式：
盼降低位元封包錯誤率
現今藍牙在遇到干擾訊號或路徑損耗時(圖16)，會自發性的重送封包與避開同頻段的干擾，最初藍牙定義為採用全球適用的2.4GHz ISM頻段進行短距離通訊，約僅10～15公尺。不過最近晶片製造商不斷提高技術水準，一些製造商希望能在20～30公尺的密閉環境或100公尺開放環境下使用藍牙技術，其接收靈敏度也大大地接近-91dBm。
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| 圖16 直線波與非直線波於實際環境之應用 |
位元封包錯誤率(Bit Error Rate, BER)是每個發射位元相對於每位元所包含噪音功率的函數，它們之間關係用Eb/No表示，即每個位元的功率噪音比。可透過減少接收器噪音或提高發射功率來改善Eb/No，也可提高每個發射位元的功率改善Eb/No。提高載波頻偏能增加每個發射位元的功率，從而提高Eb/No並降低位元出錯率；但其負面影響是提高頻偏會導致增加頻寬，降低系統的通道數量。
有效的通訊要求有一個最小位元錯誤率，藍牙技術指標規定為在-70dBm時BER為0.1%，即每1,000位元傳輸中，只允許有一個位元的錯誤。
Bluetooth RF Test Spec要求靈敏度(Sensitivity BER)在不同的三個頻率點上(L,M,H)上超過160萬位元，由於該項測試使用標準單隙(DH1)數據包進行，至少需要25秒，所以為節約時間，實際應用中即使頻率數量減少，也只測量較少位元數。
藍牙收靈敏度與日俱增
藍牙標準對RF載波調變數據要求規定如下：
藍牙定義將1毫瓦或0dBm作標準系統，發射功率峰值不超過20dBm，這樣設計是為了進行短程作業且不會干擾其他無線系統，在1MHz頻寬使用高斯頻率位移鍵控制(GFSK)調變。
圖17顯示了七個連續時間間隔使用DH1、DH3和DH5包的包時序協議，由於發射和接收包長度都相同，所以DH1有一個對稱鏈接，收發器在偶數時間間隔發射數據而在奇數時間間隔接收數據。DH3使用三個時間間隔，DH5五個，DH3和DH5包的有效載荷比較長，由於協議的開銷是固定的存取編碼加報頭(Access Code+Header)，所以可提供更高數據流量。
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| 圖17 時間間隔影響數據流量 |
待測物待測端設備對調變的射頻訊號進行解調並將位流送到Rx數據接腳，再用數位採樣器收集，把收集到的數據與原始PRBS數據比較，在調變時使用並計算出位元錯誤率，接收靈敏度測試將測量不同輸入功率如-20～70dBm的位元封包錯誤率。
隨著藍牙IC產量的不斷增大，接收靈敏度測試可能會成為製造過程中非常耗費成本的一個流程，能滿足要求且最經濟的方法就是在非常短的時間內完成各種測試，自動測試設備是提供經濟測試方案的最佳選擇。
無論如何，測試儀器必須具備高品質前端設計，並具有足夠的靈活性以滿足各種測試要求，測試儀的射頻訊號源設置時間應比被測設備更短、數位系統須先進以適應混合訊號射頻設備嚴格的數位性能要求。另外測試儀器還應有高速、高解析度數位訊號處理器(DSP)元件，以便從藍牙元件和功能強大的DSP引擎獲取訊號，滿足每次測試的處理需求。也唯有如此，在藍牙技術門檻不斷攀升的同時，業界也才能隨之推出最適當的產品問世。
(本文作者為安立知亞太區微波量測事業群技術經理)