Изучение функционирования и измерение параметров радиоинтерфейса Bluetooth EDR

Введение

Технология Bluetooth позволяет создавать сети типа «точка-точка» и «точка-многоточка» без необходимости создания строгой беспроводной инфраструктуры. Два или более устройств разделяют один беспроводной канал и объединяются в специальную сеть или пикосеть. С одним устройством, функционирующим как «ведущий» (master), могут активно функционировать в пикосети до семи других устройств или «ведомых» (slave) [1]. Поскольку технология беспроводной передачи данных Bluetooth находит все большее применение в разнообразных потребительских устройствах, появляются приложения, требующие более высоких скоростей передачи данных, такие как потоковое аудио с CD-качеством и передача и печать цифровых изображений. Кроме того, запросы потребителей для устройств беспроводной связи на коротких дистанциях все время повышаются и постепенно приходят к потребности работать с множеством приложений одновременно внутри одной пикосети.

Чтобы удовлетворить запросы потребителей, технология беспроводной передачи данных Bluetooth продолжает развиваться, появляются новые улучшения, позволяющие обеспечить более высокие скорости передачи данных и более долгий срок работы от батарей, которые появились с введением режима EDR — Enhanced Data Rate. Режим Bluetooth EDR представляет собой дополнение физического уровня к основной спецификации ядра [2], которое обеспечивает увеличение эффективной скорости передачи данных от двух до трех раз по сравнению с более ранними версиями при сохранении обратной совместимости. Благодаря более высоким скоростям передачи данных в режиме EDR радиоинтерфейс работает с уменьшенным рабочим циклом, что обеспечивает снижение рассеиваемой мощности и, соответственно, увеличение времени работы от батарей. Режим EDR также позволяет множеству приложений более эффективно использовать доступную полосу пропускания и достигать более высокой суммарной производительности.

Развитие технологии Bluetooth

Системы Bluetooth, как первоначально определялось в версии 1.0 спецификации ядра, функционируют в нелицензируемом диапазоне частот ISM (ISM — Industrial-Scientific-Medical) 2,4 ГГц. Небольшая мощность передачи РЧ-сигнала обеспечивает соединение между устройствами на расстоянии до 10–100 м. Система использует метод FHSS (Frequency Hopped Spread Spectrum — скачкообразное изменение частоты с расширенным спектром). Интенсивность хопов составляет 1600 хопов/с (номинальное значение), давая таким образом, более 79 канальных частот в ISM-диапазоне.

Позднее спецификация ядра была модифицирована (версия 1.2) с введением AFH (Adaptive Frequency Hopping — адаптивное скачкообразное изменение частоты). Одной из причин для такого изменения были проблемы взаимной интерференции, возникающей между устройствами Bluetooth и 802.11b/g WLAN. Используя AFH, система Bluetooth способна измерять помехи и избегать тех частотных каналов, которые могут привести к снижению производительности системы. Система может корректировать число используемых каналов от 79 до 20, в зависимости от необходимости [3]. Реализованные в версии 1.2 улучшения функции опроса и страничной работы (paging operations) обеспечивают время подключения менее 0,5 с в сравнении с 4–5 с в устройствах, совместимых с версией 1.0. Дополнительные улучшения имеют место в качестве соединения, используя повторную передачу данных при возникновении ошибок и улучшенное управление потоком данных посредством введения новых типов пакетов, расширяющих функциональность устройств версии 1.2 при сохранении обратной совместимости со спецификацией 1.0.

Спецификация ядра была недавно обновлена для включения режимов более высоких скоростей передачи данных с введением EDR в версии 2.0 (v2.0+EDR) [2]. Эта последняя спецификация имеет все функциональные характеристики версии 1.2 с дополнением двух новых схем модуляции, введенных в секцию полезной нагрузки пакета. Эти типы пакетов EDR обеспечивают максимальные скорости передачи данных вплоть до 2 и 3 Мбит/с. Увеличение в пиковой скорости передачи данных выше базовой скорости 1 Мбит/с достигается применением DPSK (Differential Phase Shift Keying — относительная фазовая манипуляция), благодаря чему число передаваемых в символе бит увеличивается в два-три раза. Чтобы обеспечить обратную совместимость с версией 1.2 и одновременную работу радиоинтерфейса 1.2 и 2.0+EDR в одной пикосети, все устройства используют одинаковый код доступа, заголовок и схему скачкообразного изменения частоты.

Структура пакета и формат модуляции

Системы Bluetooth используют схему TDD (Time Division Duplexing — дуплексирование с временным разделением), где физический канал разделяется на временные слоты. Все пакеты содержат код доступа, заголовок и полезные данные. Код доступа используется для синхронизации, компенсации DC-смещения и идентификации пакетов в физическом канале. Коды доступа также используются в операциях разбиения на страницы, запросах и операциях паркинга в системах Bluetooth. Заголовок содержит управляющую соединением информацию, которая включает и тип пакета. Полезная нагрузка содержит голос и данные, а также может содержать управляющую информацию или сведения для коррекции ошибок (в зависимости от типа передаваемого пакета).

Чтобы обеспечить обратную совместимость с более ранними версиями спецификации ядра, код доступа и заголовочная информация модулируются на РЧ-несущую методом GFSK (Gaussian frequency shift keying — гауссовская частотная манипуляция). Схема модуляции GFSK обеспечивает максимальную скорость передачи данных 1 Мбит/с модуляцией одного бита на символ, что дает в результате символьную скорость 1*106 символов/с. Данные модулируются с помощью сдвига или девиации частоты несущей минимум на 115 кГц. Логическая 1 представляется как положительное отклонение частоты, а логический 0 представляется как отрицательное отклонение частоты. Вид модуляции в порции полезной нагрузки общего пакета — также GFSK. Общий пакет сейчас представляется как базовый пакет в v2.0+EDR, чтобы получить схему 1 Мбит/с GFSK из двух форматов пакетов EDR с более высокой скоростью передачи данных. Модулированный GFSK-сигнал использует гауссовское формирование импульсов, чтобы обеспечить спектральную плотность с поддержанием значения 20 дБ для всей ширины полосы пропускания 1 МГц.

Для режимов более высоких скоростей EDR, как указано в v2.0+EDR, данные полезной нагрузки модулируются по одной из двух схем модуляции DPSK. Пакет EDR для передачи 2 Мбит/с, обязательный для устройств EDR, использует полезную нагрузку, модулированную с π/4 относительной четвертной фазовой манипуляцией (π/4-DQPSK). Необязательные пакеты EDR со скоростью 3 Мбит/с используют модуляцию 8DPSK. Как пример, показывающий два различных формата модуляции пакетов EDR, рис. 1 иллюстрирует результаты измерения амплитуды в зависимости от времени для формы сигнала EDR с модуляцией GFSK во время следования кода доступа и заголовка, а также модуляцию 8DPSK во время следования полезной нагрузки. Для этой формы сигнала длина пакета примерно равна 450 мкс, которая содержится внутри указанного тайм-слота размером 650 мкс. Спектральная плотность пакета EDR достигается использованием специального формирования импульсов через порцию модулированных DPSK сигналов. Эта техника формирования импульсов дает в результате спектральную плотность ?20 дБ при полосе пропускания 1,5 МГц, которая больше, чем полоса пропускания для формата модуляции GFSK. Федеральная комиссия связи США (FCC — Federal Communication Commission) разрешила использование радиоинтерфейсов Bluetooth EDR в ISM-диапазоне 2,4 ГГц и ослабила требования к занятой ?20 дБ полосой пропускания с 1,0 МГц до 1,5 МГц.

Рис. 1. Зависимость мощности от времени для пакета EDR, показаны части модуляции пакета GFSK и 8DPSK

В результате изменения модуляции пакета EDR для синхронизации в новом формате модуляции требуются дополнительная временная и управляющая информация. Следующий заголовок в пакете EDR является кратковременным периодом, который дает устройству Bluetooth время, чтобы подготовиться к изменению формата модуляции на DPSK. Этот короткий промежуток времени или «защитный временной интервал» находится между 4,75 мкс и 5,2 мкс. Защитный интервал следует за синхронизирующей последовательностью, которая содержит один опорный символ и 10 символов DPSK. Эта последовательность требуется для синхронизации времени символа и фазы для одного из двух типов модуляции, использующихся в пакете EDR. Рис. 2 показывает измерение амплитуды в зависимости от времени для пакета EDR в течение времени, когда модуляция изменяется с GFSK на 8DPSK. Этот рисунок показывает защитное время 5 мкс и 11 синхронизирующих бит в начале полезной нагрузки EDR.

Рис. 2. Зависимость мощности сигнала от времени, показан переход между схемами модуляции GFSK и 8DPSK

Дифференциально декодированный фазомодулированный сигнал, используемый в режиме EDR, может быть демодулирован без оценки фазы несущей. В этом случае принятый сигнал сравнивается с фазой предыдущего символа [4]. Формат модуляции относительного кодирования, определенный для передачи 2 Мбит/с, является π/4-DQPSK. Созвездие π/4- DQPSK может быть представлено как суперпозиция двух QPSK-создвездий, смещенных на 45° друг относительно друга. Фазы символа попеременно выделяются из созвездия QPSK от одного к другому для каждого символьного периода. В результате, следующие символы имеют относительный сдвиг фаз, который равен одному из четырех углов:0; ±π/4; ±π/2; ±3π/4; π. Переход символа от одного созвездия к другому всегда гарантирует, что имеется изменение фазы между символами, упрощающее восстановление тактовой синхронизации [4]. На рис. 3 показано созвездие π/4-DQPSK для части пакета EDR. Этот рисунок показывает измерение большого числа символов, дающих в результате восемь желаемых точек созвездий. Отметим, что в течение периода любого одного символа доступны только четыре точки созвездия или переходов, что дает в результате передачу два бита на символ. Этот рисунок показывает комбинацию двух раздельных созвездий QPSK, сдвинутых на 45 градусов, помеченных как A, B, C и D для одного созвездия и 1, 2, 3 и 4 для другого.

Рис. 3. Измерение параметров созвездия для полезной нагрузки EDR при модуляции π/4-DQPSK

Второй формат модуляции EDR определен для передачи со скоростью 3 Мбит/с — это 8DPSK. Достигается дальнейшее увеличение скорости передачи данных через четыре точки созвездия для каждого символа. В сумме восемь точек созвездия позволяют делать передачу трех бит на символ, давая в результате улучшение в скорости передачи данных в три раза по сравнению со схемой модуляции GFSK. Этот тип модуляции имеет множество преимуществ, как π/4-DQPSK, включая использование некогерентных схем модуляции. Демодуляция 8DPSK происходит оценкой относительной разности фаз последующих символов, давая в результате углы 0, ±π/4, ±π/2, ±3π π/4 и π. Как все восемь точек созвездия или переходы, доступные между символами, могут быть переданы три бита данных на символ. Увеличение в скорости передачи данных приходит без неприятностей, так как модулированный 8DPSK сигнал является более чувствительным к шуму благодаря меньшему расстоянию между точками созвездия, в сравнении с сигналами π/4-DQPSK.

Технология измерения EDR и контрольный пример

С введением EDR в спецификацию ядра Bluetooth были добавлены дополнительные специфические для EDR тесты радиочастотного уровня, методики измерения и спецификация (TSS/TP) [5]. Новые тесты позволяют осуществлять предварительное измерение параметров устройств Bluetooth во время работы, что может быть весьма полезным во время начальных этапов разработки радиоинтерфейса. Специфические для интерфейса EDR измерения для передатчиков включают относительную мощность передачи, стабильность частоты несущей, точность модуляции и относительное фазовое кодирование. Специфические измерения EDR для Bluetooth-приемников включают чувствительность, частоту появления (коэффициент) ошибок (BER — Bit Error Rate) и максимальный входной уровень.

Пример EDR-передатчика

Измерение относительной мощности передачи EDR предназначено для проверки различия между средней мощностью передачи в течение модуляции GFSK и того, что средняя мощность передачи во время модуляции DPSK находится внутри указанного диапазона +4 дБ…–1 дБ. Относительная мощность вычисляется из разности среднего измерения мощности, полученного на 80 % порции GFSK пакета для среднего измерения мощности, полученного на 80 % порции DPSK. На рис. 4 показаны результаты относительного измерения мощности сигнала EDR при модуляции N π/4-DQPSK с радиочастотной несущей в средней частоте диапазона 2441 МГц. Как показано на рис. 4, измерение средней мощности для форм сигналов GFSK и N π/4-DQPSK равно –14,4 дБ и –16,22 дБ соответственно. Относительная мощность передачи рассчитана как +1,82 дБ и находится внутри указанного диапазона –1…+4 дБ.

Рис. 4. Измерение параметров пакета EDR с модуляцией π/4-DQPSK

Измерение стабильности несущей частоты EDR начинается с определения начальной ошибки центральной частоты в заголовке GFSK. Отклонения частоты в битах логической 1 и битах логического 0 измеряются и представляются как ωi (ωI = [Δω1+Δω2] / 2). Начальная ошибка частоты рассчитывается между ±75 кГц. Частотная ошибка в части EDR-пакета корректируется при использовании этой начальной частотной ошибки, ωi. Корректированная форма сигнала затем разделяется на 200 блоков по 50 символов длиной. Оставшаяся частотная ошибка в каждом блоке представляется как ω0. Наихудший блок частотной ошибки, ω0, задан в диапазоне между ±75 кГц. Это значение представляет максимальное отклонение (размах) ошибки частоты, которое включает начальную ошибку в коде доступа и уход частоты, который может происходить в измеряемых блоках. Рис. 4 показывает частотную стабильность формы сигнала EDR. Здесь стабильность начальной частоты измерена как –5,997 кГц, блок ошибки частоты – 0,857 кГц и объединенная частотная ошибка как –6,854 кГц. Все эти измеренные значения, как видно, находятся в пределах допустимых внутри требуемых спецификацией полей допуска.

Измерения точности модуляции EDR определяют качество дифференциальной модуляции и предназначены, чтобы обнаружить ошибки, которые могут вызывать проблемы в реальном дифференциальном приемнике. Точность модуляции проверяется измерением дифференциального амплитудного вектора (DEVM — Differential Error Vector Magnitude), которое аналогично традиционному измерению амплитуды вектора ошибки, применяемому в других телекоммуникационных системах [6]. DEVM определяется как амплитуда ошибки между двумя принятыми сигналами, одного пробельного символа отдельно по времени. Измерение DEVM передает синхронизирующую последовательность и полезную нагрузку 200 блоков по 50 символов в каждом блоке. Точность модуляции представляется как три значения, 99 % DEVM, среднеквадратическое DEVM (RMS DEVM) и пиковое DEVM (Peak DEVM) [1]. Рис. 4 показывает точность модуляции для измеренной формы сигнала EDR, используя модуляцию π/4-DQPSK. Значения 99 % DEVM, среднеквадратического DEVM и пикового DEVM для этого сигнала измерены, представлены в процентах и равны 10,24 %, 11,57 % и 5,5 % соответственно. Как показано на рисунке, все измеренные значения DEVM для этой формы сигнала находятся внутри требуемых спецификацией.

Тест кодирования дифференциальных фаз проверяет функционирование дифференциального модулятора PSK, используемого передатчиком. Для полезной нагрузки EDR модулятор требует корректного отображения потока бинарных данных в набор указанных фазовых углов в комплексной плоскости. Полезная нагрузка EDR модулируется последовательностью PRBS9, и измерение частоты появления ошибок осуществляется через 100 пакетов. Указано, что 99 % пакетов должны приниматься без битовых ошибок, или другими словами, этот коэффициент ошибок меньше, чем один процент. Рис. 4 показывает измеренный коэффициент ошибок для сигнала EDR, равный 0 % (то есть не было найдено никаких ошибок).

Примеры тестирования приемника EDR

Тестирование приемника Bluetooth EDR требует измерения производительности BER, используя тестовые сигналы, содержащие множество частотных и временных искажений. Все измерения параметров BER приемников рассчитываются для более 16 000 000 бит сравнением принятых данных с оригинальной последовательностью PRBS9, переданной тестовым источником или измерительным оборудованием.

Чувствительность EDR измеряется с помощью трех групп по 20 пакетов, искаженных различными временными ошибками и частотными смещениями (сдвигами) [5]. Первая группа пакетов не содержит искажений (ухудшений). Вторая группа пакетов содержит смещение несущей частоты +65 кГц и символьную временную ошибку +20 ppm. Третья группа пакетов содержит смещение несущей частоты –65 кГц и символьную временную ошибку –20 ppm. Качество приемника BER должно быть быть 10^–4 при таких условиях измерений.

Оценка EDR BER представляет собой измерение BER при уровне принимаемой мощности, равной –60 дБм. BER рассчитывается сравнением принятых данных с переданной последовательностью PRBS9. При таких условиях качество BER указывается как 10^–5.

Измерения максимального входного уровня EDR показывают параметры BER приемника при условиях, когда уровень входного сигнала равен –20 дБм. Этот тест показывает качество приемника под действием возможных искажений во внешнем интерфейсе, когда имеют место большие уровни входной мощности. Параметр BER указан как 10^—3 при этом уровне входной мощности.

Выводы

Необходимость в более высоких скоростях передачи данных и улучшения рассеиваемой мощности, требуемые в портативных мультимедиа потребительских приложениях предполагают переход к технологии Bluetooth EDR. Развитие EDR будет обеспечивать множество сценариев, где многочисленные беспроводные устройства одновременно функционируют в одной пикосети. Кроме того, ожидаются новые портативные устройства, которые сочетают несколько беспроводных интерфейсов, такие как GPRS и WiFi с Bluetooth EDR для того, чтобы обеспечить одновременое и однородное соединение через множество типов сетей.