軟體定義量測儀器發威　2.4GHz無線技術測試效率升級

上述應用產品與無線技術，讓2.4GHz頻寬像是擁擠的廚房，而工程師要設計此頻譜內的產品，也開始面臨許多難題。以藍牙裝置為例，現在不僅要避免受到Wi-Fi與ZigBee的干擾，同時也須滿足更高的資料傳輸率，進而連帶造成高耗電量的問題。圖1僅顯示Wi-Fi、ZigBee、藍牙通道的2.4GHz頻譜，就已讓整個畫面看起來擁擠不堪。以下將說明2.4GHz頻段中主要的無線通訊技術發展狀況與測試難題。

圖1 WLAN、藍牙、ZigBee等許多標準，均使用2.4GHz頻譜。

藍牙低功耗以跳頻減少干擾

本文將以藍牙技術為例，說明藍牙技術問世後，藍牙技術聯盟(SIG)透過下列方式，以避免藍牙訊號受到其他2.4GHz訊號的干擾。

‧	自適應跳頻
	藍牙SIG在2003年發表的Bluetooth 1.2技術，即具備自適應跳頻(Adaptive Frequency Hopping, AFH)技術，讓藍牙頻道可避免其他2.4GHz無線通訊技術的干擾。

‧	強化資料率
	2004年發表的藍牙規範，具備強化資料率(Enhanced Data Rate, EDR)技術，並可達到2.1Mbit/s的資料傳輸率。

另外，藍牙技術的傳輸速率也逐漸提升。藍牙SIG於2007年發表的Bluetooth 2.1+EDR，可達到安全的簡易耦合功能。這時全球的藍牙晶片出貨量已達十億顆；而2009年推出的Bluetooth HS(3.0)傳輸速率可達24Mbit/s，以提供更高的資料串流率。3.0版並採用廣告頻道(Advertising Channel)，使藍牙頻道可與802.11b/g技術通道相容，以達更高的資料量。

而目前最新版本的Bluetooth 4.0也就是藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy, BLE)或稱Wibree，此規範訴求其低耗電量的特性。

由於藍牙低功耗晶片大多數時間均處於休眠狀態，因此裝置在不充電的條件下，僅須透過鈕扣電池供電，即可待機超過1年，且在資料傳輸速度上，相較於傳統藍牙可能需要數百毫秒(ms)，但藍牙低功耗傳送資料則僅需數毫秒。也因此目前藍牙低功耗技術應用普及度已逐漸提高。

BLE兼具較高傳輸速率與低功耗特性

藍牙低功耗僅需極短的工作週期(Duty Cycle)，並讓小體積作業最佳化，使得裝置耗用功率更低。相較於傳統藍牙，藍牙低功耗具備的優勢包括，更智慧的控制功能，以延長裝置的待機時間；可調整至最低0.1%(傳統藍牙最低需1%)的超低工作週期；多個供應商產品可互相操作，以及低成本與小體積。表1為藍牙低功耗與藍牙2.1版的比較。

BLE使用廣告頻道與Wi-Fi相容

藍牙低功耗另一項重大改變，就是僅使用四十個頻道(傳統藍牙須使用七十九個頻道)，而每個藍牙低功耗頻道的頻寬為2MHz(傳統藍牙頻寬為1MHz)。值得注意的是，藍牙低功耗技術必須要能於相同頻帶中區分訊號，如在無線區域網路(WLAN)頻道間，可確實從四十個頻道中找出三個頻道，以便輕鬆搜索裝置並完成連線。

上述藍牙裝置使用的這些頻道，即所謂的「廣告頻道」，如圖2所示，亦即透過廣播自身裝置的存在，再進一步搜尋其他藍牙裝置。此項特色也讓藍牙訊號可與WLAN訊號在2.4GHz頻段通道中並存。

圖2 就算處於WLAN訊號的覆蓋下，廣告頻道依舊可讓藍牙裝置互相連接。

藍牙技術的進展也帶來新的測試需求。如針對敏感度測試的「骯髒封包」(Dirty Packet)，還有取代傳統藍牙誤碼率(BER)測試的錯誤率(PER)測試等。骯髒封包的概念，就是每五十組封包各建立非理想封包(Nonideal Packet)，內含載波頻率偏移、調變係數、符碼時序(Symbol Timing)錯誤，封包再根據測試規格所述，最後變更為所需的特定數值組合。

此外，訊號特性參數亦新增頻率漂移(Frequency Drift)。骯髒封包若為接收器輸入功率，則有1～2dB的差異，進而在接收器測試中就會造成測試通過/失敗(Pass/Fail)裝置數量的不同。在至少一千五百組封包之後，藍牙低功耗的PER測試需求就會低於30.8%，這等於一組0.1%的BER。

軟體架構測試儀器提供測試彈性

針對WLAN、藍牙，甚至行動電話標準的測試，量測儀器廠商均提供相關工具組，可搭配使用射頻向量訊號分析儀(Vector Signal Analyzer, VSA)、向量訊號產生器(Vector Signal Generator, VSG)與向量訊號收發器(Vector Signal Transceiver, VST)進行2.4GHz射頻無線訊號的測試。

由於射頻協定變化快速，測試工程師最需要能靈活使用或升級的硬體。此外，工程師亦須升級測試設備，以隨時因應更高的頻寬、頻率範圍、效能需求，同時保持既有的軟體堆疊。儀器業者提出的PXIe-5644R VST搭配使用藍牙工具組進行藍牙低功耗訊號測試，該工具組軟體的應用程式介面(API)可使用LabVIEW、LabWindows/CVI、Measurement Studio、Microsoft Visual Studio。

測試設備搭配IF濾波器　低功率RF訊號量測更精準

低功率的射頻接收器與測試設備，均必須考量干擾訊號的問題。在選擇測試設備時，工程師更須特別注意量測儀器是否具備鄰近通道抑制(Adjacent Channel Rejection)的規格，並可用預選器(Preselector)與中頻(IF)濾波器組(Bank)，確保接收器可偵測出大型訊號內的小訊號。另外，工程師可於IF鏈(IF Chain)中，使用IF濾波器組搭配放大器，藉此有效抑制大型訊號，並針對抵達類比數位訊號轉換器(ADC)的訊號，調整功率。如此即可偵測所需訊號並完成解調。若沒有IF濾波器，則不必要的大型訊號就有可能會讓類比數位訊號轉換器發生過溢(Saturate)。

除此之外，儀器商提供現成的軟體，可立即用於測試2.4GHz頻譜中的無線標準，另外，最佳化的硬體可偵測高功率滿溢訊號中的低功率射頻訊號。透過儀器商內建軟體定義的解決方案，工程師即可根據標準特定規格測試支援2.4GHz頻段無線通訊技術的裝置，以利業者開發的產品可迅速上市，此外，產品開發工程師也可了解裝置將如何對應實際訊號。

(本文作者為美商國家儀器自動化測試產品行銷經理)