2.2. Ядро

2.2.1. Радио

Радио Bluetooth является основой технологии. В разделе Радио определены требования к приемопередатчику. Приемопередатчик Bluetooth работает в ISM диапазоне, отведен­ном для промышленных, научных и медицинских целей. Этот диапазон был оставлен свободным в большинстве стран мира, чтобы позволить свободный обмен информаци­ей в нелицензированной форме. Эти диапазоны распределены по миру неравномерно.

Раздел Радио технических требований, часто называемый RF (Radio Frequency), имеет пять подразделов, представляющих особый интерес:

1. Область действия

2. Диапазон частот и размещение каналов

3. Характеристики передатчика

4. Характеристики приемника

5. Параметры тестирования

Область действия

В этом разделе приведено описание стандартов и документов, которые регулируют использование частотного спектра в различных странах. Эта информация может быть важна для инженеров-проектировщиков.

Диапазон частот и размещение каналов

Рабочие полосы частот и частотные каналы, рассмотренные в технических тре­бованиях, основаны на правилах, установленных в Европе, Японии и Северной

Рис. 2.2. Стек протоколов Bluetooth

Америке. Некоторые страны имеют суженный частотный диапазон (таблица 2.2). Для соответствия этим ограничениям были определены специальные алго­ритмы перестройки частоты для данных стран. Следует отметить, что устройст­ва, предназначенные для работы в суженном частотном диапазоне, не могут ра­ботать с устройствами, предназначенными для работы в расширенном частотном диапазоне, и их следует рассматривать как устройства для какого-то конкретно­го рынка.

В радиотракте применяется метод расширения спектра со скачкообразной пере­стройкой частоты и двухуровневая Гауссовская частотная манипуляция (Gaussian frequency Shift Keying — GFSK). Скачкообразная перестройка частоты подразуме­вает, что полоса частот подразделяется на определенное количество каналов, ши-Риной 1 МГц каждый (таблица 2.2).

Таблица 2.2. Диапазон частот и размещение каналов

Страна Частота (МГц) Диапазон (Мгц) Число каналов Европа (кроме Испании 2400-2483,5 f-2402 +к к = 0 - 78 и Франции) и США Япония 2471-2497 f=2473 + k к = 0 - 22 Испания 2445-2475 f-2449 +к к = 0 - 22 Франция 2446,5-2483,5 f = 2454 + к к = 0 - 22

Для соответствия требованиям на внеполосные излучения определены защит­ные интервалы по краям рабочей полосы (таблица 2.3).

Таблица 2.3. Защитные интервалы но краям рабочей полосы

Страна	Нижний защитный интервал	Верхний защитный интервал
Европа, США и большинство других стран	2 МГц	3.5 МГц

Характеристики передатчика Выходная мощность передатчика

Параметры, установленные в данном разделе, даны для мощности на антенном разъеме устройства. Если устройство не имеет антенного разъема (интегрирован­ная антенна), то подразумевается антенна с коэффициентом усиления 0 дБи. Для измерения параметров передатчика устройства с интегрированной антенной пред­почтительно предусмотреть временный антенный разъем для проведения измере­ний.

Если у антенны существует направленность (коэффициент усиления больше чем 0 дБи), необходимо учесть требования документов ETSI 300 328 и FCC часть15.

Оборудование Bluetooth подразделяется на три класса мощности.

Таблица 2.4. Классы мощности передатчика

Класс мощности	Максимальная выходная мощность (Ртах)	Номинальная выходная мощность	Минимальная выходная мощность
1	100 мВт (20 дБм)		1мВт (ОдБм)
2	2.5 мВт (4дБм)	1мВт (0 дБм)	0.25 мВт (-бдБм)
3	1мВт (0 дБм)	-	-

_для уменьшения энергопотребления устройства и помеховой обстановки. Шаг регулировки должен составлять от 2 до 8 дБ. Устройства с выходной мощностью класса 1 (максимальная выходная мощность +20 дБм) должны регулировать вы­ходную мощность до 4 дБм или меньше. Регулировка осуществляется после из­мерения уровня принимаемого сигнала в приемнике (Received Signal Strength Indication — RSSI) первого устройства путем подачи команды (через протокол управления связью) на изменение выходной мощности передатчика второго уст­ройства.

Следует отметить, что если устройство не поддерживает измерение мощности си! нала в приемнике, то другое устройство с выходной мощностью класса 1 (при связи с первым устройством) должно работать как устройство класса 2 или 3.

Модуляция

В технологии Bluetooth используется гауссовская частотная манипуляция с индек­сом модуляции от 0,28 до 0,35. Бинарная единица соответствует положительной девиации, а бинарный нуль — отрицательной девиации частоты (рис. 2.4). Бинар­ные символы передаются с частотой 1 МГц ± 20 ррт. Для каждого канала, мини­мальное значение девиации частоты (Fmin = min{F_min+, F_min—}) для последователь­ности символов 1010 должно быть не меньше чем 80% от девиации частоты (f_d) для последовательности символов 00001111. При этом минимальная девиация никогда не должна быть меньше 115 кГц.

Джиттер при модуляции должен быть менее 8% периода символа (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Фактическая модуляция передачи

Для устройств, выходная мощность которых превышает 0 дБм, необходима регулировка выходной мощности в диапазоне более 0 дБм. Регулировка выход­ной мощности в диапазоне менее 0 дБм опциональна и может использоваться

Побочные излучения

Побочные излучения внутри- и вне- рабочей полосы частот, измеряются при состо­янии передатчика, работающем на одной частоте (т. е. приемопередатчик перестра-

Рис. 2.4. Способ кодирования пакетной информации

ивает синтезатор поочередно между приемным и передающим слотом, но частота передачи всегда одинаковая). Нормы на излучение для США приведены в доку­менте FCC части 15.247, 15.249, 15.205, 15.209; для Японии в документе RCR STD-33; для Европы в рекомендации ETSI 328.

Побочные излучения внутри рабочей полосы частот

Внутри ISM полосы излучение передатчика должно соответствовать требованиям таблицы 2.5. Первое условие вытекает из требования FCC па 20 дБ полосу канала. Также FCC устанавливает требования на излучение на соседних рабочих каналах. Мощность излучения на соседнем канале определяется в полосе 1 МГц. Измере­ние мощности должно проводиться в полосе 100 кГц. М — канал передачи, N — со­седний канал. Передатчик должен передавать тестовую псевдослучайную последо­вательность (ПСП).

Таблица 2.5. Спектральная маска передаваемого сигнала

Отклонение частоты от несущей	Излучаемая мощность
±500 кГц	-20дБм
|М - N| - 2	-20 дБм
|М - N| > 3	-40дБм

Исключения по побочному излучению внутри рабочей полосы допустимы мак­симум на трех рабочих каналах (шириной по 1 МГц каждый), в то же время они должны удовлетворять требованию по абсолютному побочному излучению равно­му -20 дБм. Надо отметить, что это является требованием FCC.

Побочные излучения вне рабочей полосы частот

Измерение мощности должно проводиться в полосе 100 кГц.

В таблице 2.6 приведены уровни побочных излучений вне рабочей полосы.

Таблица 2.6. Уровни побочных излучении
Полоса частот	Режим передачи сигнала	Режим отсутствия передачи сигнала (передатчик выключен)
30 МГц - 1 ГГц	-36дБм	-57 дБм
1 ГГц - 12-75 ГГц	-30дБм	-47 дБм
18 ГГц- 1.9 ГГц	-47 дБм	-47дБм
5.15 ГГц-5.3 ГГц	-47 дБм	-47 дБм

Точность установки несущей частоты

Точность установки несущей частоты (определяется на момент начала передачи пакета) должна быть ±75 кГц от номинала F_H. Следует учесть, что требование к ча­стотному дрейфу не включает вышеуказанные ±75 кГц. Допустимый дрейф несу­щей частоты во время передачи пакета определен в таблице 2.7.

Таблица 2.7. Допустимый дрейф несущей частоты

Тип пакета	Частотный дрейф
Однослотовый пакет	±25 кГц
Трсхслотовый пакет	±40 кГц
Пятислотовый пакет	±40 кГц
Максимальный дрейф несущей	400 Гц/мксек

Характеристики приемника

Для измерения вероятности появления ошибочных битов (Bit Error Rate — BER), устройство должно иметь режим обратной петли (loopback), т.е. устройство долж­но посылать обратно декодированную информацию. Базовый уровень чувстви­тельности при этом составляет -70 дБм.

Чувствительность приемника

Чувствительность приемника определена как уровень входного сигнала, для кото­рого BER на входе равен 0.1%. Требование к чувствительности для приемника Bluetooth: -70 дБм или лучше. Приемник должен соответствовать требованию чув­ствительности -70 дБм с любым передатчиком Bluetooth, удовлетворяющим тре­бованиям на передатчик системы Bluetooth.

Прием при наличии помеховых сигналов

Параметры приемника при помехе в соседнем канале, отстоящем на 1 МГц и на 2 МГц, измеряются при уровне принимаемого сигнала, превышающем базовый Уровень чувствительности на 10 дБ. Во всех остальных случаях уровень принимае­мого сигнала должен превышать базовый уровень чувствительности на 3 дБ. Если помеховый сигнал расположен вне рабочей полосы частот 2400—2497 МГц, то дан-

Данные требования тестируются только при номинальной температуре окружа­ющей среды, при этом, приемник «прыгает» на одной частоте (т.е. синтезатор пере­страивает частоту между передающим и приемным слотом, но при этом всегда воз­вращается на одну и ту же приемную частоту). Частоты помехи, при которых не выполняются требования таблицы 2.8 называются «помеховыми частотами». До- Таблица 2.10. Паразитное излучение приемника пускается пять помеховых частот, отстоящих на >2 МГц от сигнала приема. Для этих помеховых частот определены менее жесткие требования по соотношению сигнал/помеха: С/1 = -17 дБ.

ный случай следует рассматривать как прием при внеполосной помехе. Помеховы jj сигнал должен быть Bluetooth-модулированным при BER < 0.1% и соотношении сигнал/помеха, определеном в таблице 2.8.

Таблица 2.8. Прием при наличии помеховых сигналов

Требование	Соотношение
Помеха в соседнем канале, C/Ico.chany	ИдБ
Помеха в соседнем канале (1 МГц), С/1( мг	ОдБ
Помеха в соседнем канале (2 МГц), С/12 МГц	-30 дБ
Помеха в соседнем канале (>3 МГц), С/1>3 МГ|(	-40 дБ
Помеха зеркального канала C/Iimage	-9дБ
Помеха в канале, соседнем с зеркальным (1 МГц), C/Ijmagc+1 МГц	-20 дБ

Интермодуляционная характеристика приемного тракта

/1нтермодуляция приемного тракта определяется величиной BER = 0.1%, которая должна достигаться при следующих условиях:

» сигнал принимается на частоте f₍₎ с уровнем, на 6 дБ превышающем базовый уровень чувствительности;

• смодулированная несущая передается на частоте 1, с уровнем -39 дБм;

• Bluetooth-модулированный сигнал передается на частоте f₂ с уровнем —39 дБм; При этом f = 2f, - f₂ и |2f, - f₂| = n x 1 МГц, где п может принимать значения 3, 4,

или 5.

Динамический диапазон приемника

Максимальный уровень принимаемого сигнала должен быть лучше чем -20 дБм. При этом BER должен быть меньше или равен 0.1%.

Паразитное излучение приемника

Требования на паразитное излучение приемника приведены в таблице 2.10. Мощность излучения измеряется в полосе 100 кГц

Полоса частот	Мощность излучения
30 МГц - 1 ГГц	-57 дБм
1 ГГц - 12.75 ГГц	-47 дБм

Прием при помеховом сигнале вне рабочей полосы частот

Параметры приема при внеполосной помехе измеряются при уровне входного сиг­нала, превышающем уровень чувствительности на 3 дБ. BER не должен превышать 0.1%, а помеховый сигнал является немодулированной несущей, мощность которой определена в таблице 2.9.

Таблица 2.9. Параметры внеполосного помехового сигнала

Частота помехового сигнала	Мощность помехи
30 МГц - 2000 МГц	-ЮдБм
2000 МГц-2399 МГц	-27дБм
2498 МГц - 3000 МГц	-27дБм
3000 МГц - 12.75 ГГц	-ЮдБм

Допускаются 24 рабочие частоты (канала) с параметрами, отличающимися от вышеуказанных. При приеме на 19 из этих «помеховых» частотах допускается уро­вень внеполосной помехи -50 дБм для BER = 0.1%. На оставшихся 5 «помеховых» частотах уровень внеполосной помехи допускается произвольным.

Измеритель уровня принимаемого сигнала (опционально)

Если устройство должно управлять мощностью, передаваемой в канале, то приемни­ку необходимо измерять мощность принимаемого сигнала и принимать решение об увеличении или уменьшении мощности передаваемого сигнала на передатчике дру­гого устройства, входящего в канал связи. Эта процедура возлагается на RSSI-блок. RSSI-блок измеряет уровень принимаемого сигнала и сравнивает его с двумя порога­ми, которые определяют диапазон принимаемой мощности, называемый «Golden Receive Power Range». Нижний порог соответствует диапазону уровней входного сигнала от -56 дБм до уровня, превышающего на 6 дБ реальный уровень чувстви­тельности приемника. Верхний порог на 20 ± 6 дБ выше нижнего порога (рис. 2.5).

Параметры Bluetooth-модулированного сигнала

GFSK
0.32 + 1%
0.5 ± 1%
1 Мбит/сек ± 1 ррт
не хуже ±1 ррт.

Модуляция -

Индекс модуляции

ВТ

Битовая скорость -

очность установки несущей частоты

Рис. 2.5. Динамический диапазон и точность RSSI-блока

Параметры тестирования

Параметры тестирования описаны в приложениях к разделу Радио. Однако в этих приложениях нет процедуры для полного тестирования приемопередатчика. Фак­тически в приложениях приведены требования к рабочей температуре и напряже­нию.

Для получения логотипа Bluetooth необходимо официальное тестирование изде­лия на соответствие техническим требованиям.