藍牙低功耗技術(Bluetooth Low Energy；BLE)正迅速成為部署最廣泛的無線技術之一，在資產追蹤、健身監測、定位服務和遠端感測等各種應用領域中普遍使用。BLE裝置通常外形小巧、堅固耐用，而且經常完全封裝在保護外殼中，以避免受到環境影響。然而，這種封裝途徑對於設計人員和測試工程師帶來了獨特的挑戰：如何在不使用任何射頻(RF)或數位連接的情況下驗證無線性能？

解決辦法之一是透過空中傳輸(over-the-air；OTA)的BLE測試，這種測試方法可以對發射器與接收器的性能進行快速的參數化驗證。眾所周知，發射器和接收器同等重要，但要在BLE裝置內驗證接收器的OTA性能格外困難，亟需一種全新的測量方法。本文將探討幾種專為確定BLE OTA封包錯誤率(PER)和接收器靈敏度的全新測量技術。

OTA測試解決兩大關鍵挑戰

挑戰#1：在典型的非OTA測試中，一般使用通用非同步收發器(UART)或通用序列匯流排(USB)介面連接等數位通訊方法來控制待測裝置(DUT)。進行接收器測試時，首先設定裝置使其開始接收資料封包，測試系統接著發送已知數量的封包，然後再查詢裝置以確定其成功接收的封包數量。測試系統可以使用這些資訊計算PER，這是業界用來量化接收器性能的標準作法。但在進行OTA測試時，由於沒有直接連線通訊，因此其挑戰在於設計出一種能夠確定是否正確接收到封包的新方法。

解決方案#1：為了在缺少直接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 OTA無線協議訊息，以確定是否接收到資料封包。BLE裝置採用分佈在2.4GHz頻段上的三種特定廣播頻率傳送資料。

圖1：為BLE裝置廣播、掃描請求和掃描響應事件的功耗與時間關係

內建接收器的裝置在每次傳送廣播封包後，會在短時間內偵聽特定的BLE訊息，稱為Scan_Request。該訊息通常由附近等待與廣播裝置通訊的裝置發出。如果廣播裝置接收到此Scan_Request指令，將會以一次Scan_Response訊息進行響應。如圖1所描繪的功耗與時間關係圖。廣播裝置首先傳送一個廣播資料封包(以藍色表示)，附近的工作站隨後發出Scan_Request訊息(以橙色表示)，接著廣播裝置發出Scan_Response訊息(仍以藍色表示)。

在BLE裝置的一般操作中會發生這種訊息交換，OTA測試系統正是利用這一行為來測量PER。在接收器測試期間，DUT首先發送廣播資料封包，隨後測試系統發送Scan_Request，如果DUT接收到該封包，將會透過Scan_Response進行應答。該測試系統持續追蹤發送的Scan_Request數量和接收的Scan_Response數量，並使用該訊息計算接收器的PER。

在進行靈敏度測量時，測試系統將會調整RF訊號級，以確定產生特定PER的RF級。這種RF級是用於確定接收器品質的常用方法，稱為接收器靈敏度。這種方法使用廣播資料封包——Scan_Request訊息，而BLE OTA測試儀中就建置了這種Scan_Response，不僅可以準確地確定接收器的PER或靈敏度，而且不需要與DUT建立任何直接的有線通訊。

挑戰#2：相較於Wi-Fi或蜂巢式網路等其他常見的無線技術，BLE具有更低的資料傳輸速率。在接收器測試中需要使用大量封包，以確保測量結果具有準確性和統計意義。

由於資料傳輸速率低，在生產環境中進行BLE接收器測試往往需要較長時間，從而導致成本大幅增加。無疑地，這種測試時間長、成本又較高的方法並不可取，因此，第二大挑戰就是要設計出一種新的測量方法，既能準確地確定PER，而且也比現有的傳統PER測試方法更大幅減少使用的封包數。

解決方案#2：為了確定接收器的靈敏度，通常必須測量在各種RF級時的PER。藍牙SIG(制定藍牙技術規格的標準組織)規定，必須使用1,500個封包測量接收器的靈敏度。如果使用上述的廣播方法，典型BLE裝置在每個RF級都需要幾分鐘的時間才能接收這麼多的封包。而且，如果要在多個RF級進行測量，那麼一次完整的接收機靈敏度測試可能得花費超過10分鐘的時間。

這顯然不適用於許多應用，因而必須找到一種更快捷的新方法。為了解決這一問題，OTA測試解決方案需要使用能快速確定PER分佈曲線的演算法。這種方法稱為「快速PER測試法」，專用於快速確定產生50% PER的接收器靈敏度。

在執行快速PER測試期間，測試儀首先在任意RF級時發送單個資料封包(Scan_Request)。如果該封包取得應答，即降低RF級並在此較低RF級時發送下一個封包。而如果初次發送的封包未得到應答，則提高RF級並在此更高RF級時發送下一個封包。測試儀利用一種智慧演算法調整RF級的步進大小，並記錄得到應答和未得到應答的RF級，從而以最少數量的封包快速且準確地繪製出「封包錯誤分佈曲線」。

圖2：藍牙低功耗裝置待測物(DUT)的典型封包錯誤率(PER)曲線

圖2顯示BLE裝置的傳統PER曲線。PER曲線在RF級變化至50%的曲線點時最為敏感，因此快速PER演算法會搜尋此50%的曲線點。在RF級變動期間，大多數的封包在接近50%曲線點的RF級時進行傳送；由於演算法在此50%區間收斂，因此，RF步進大小也會調整為較小值。這能夠產生準確且可重覆的DUT接收器靈敏度測量，而且所需要的封包數量很少——相較於在各種不同RF級使用大量封包的傳統PER掃描途徑，所需的封包數不足其5%。

結語

RF設計人員需要使用最終設計來驗證可交付產品的性能，而不能僅僅依賴於板級測量，板級測得的RF性能可能與成品的真實情況存在很大偏差。在製造過程中，測試工程師通常無法使用板級RF和數位連接，因此他們需要能透過OTA執行的快速測試方法，以提供準確且可重複的結果。

OTA BLE測試解決方案能夠有效解決這些關鍵挑戰。這些系統有助於工程師打造出更好的設計，同時讓製造商使用參數化資料以驗證製造品質。對於BLE裝置而言，如果無法取得良好的無線通訊，裝置就無法正常運轉，因此，無線性能顯得至關重要。透過這些BLE OTA測試解決方案將有助於設計出更優質的產品，同時幫助製造商製造出符合要求的產品。