[RF Test] Bluetooth 4.1 규격 RF 성능 검토(Direct Test Mode)

TC-3000(Bluetooth Tester)장비를 이용하여 제품의 RF성능을 측정하려 합니다.

Bluetooth 4.1 규격을 Test할 예정이며, 측정 항목은 아래와 갔습니다.

 

• TX

-       Output Power (TRM-LE/CA/01/C)

-       Modulation characteristics (TRM-LE/CA/05/C)

-       Carrier frequency offset and drift (TRM-LE/CA/06/C)

• RX  

-       Receiver sensitivity (RCV-LE/CA/01/C)

-       Maximum input signal level (RCV-LE/CA/06/C)

-       PER Report Integrity (RCV-LE/CA/07/C)

 

6가지에 대한 측정항목에 대한 설명은 아래 제품을 측정하면서 설명 드리도록 하고, 위 항목은 Bluetooth Low Energy(BLE)에 대한 측정항목이니 참고하시길 바랍니다.(Direct Test Mode)

 

 

RF 작업을 진행하기 앞서서 먼저 RF 신호가 나오는 RF라인에서 TEST장비와 연결될 수 있게 작업을 진행해야 합니다.

 

▲ RF Connector 제품 연결 작업 

 

BLE를 사용하는 제품이라면 Antenna가 기본적으로 있을텐데 Antenna나와 BEL제품 과 연결되는 RF라인을 제거 후 BLE RF라인과 RF Connector만 연결 합니다. 보통 Antenna가 연결된 상태에서 Connector를 다시는 분들도 있지만 제거 후 작업을 해야 간섭이 적습니다.

 

RF Connector부분의 내경에는 RF Line을 외경에는 GND를 연결 합니다. 이 부분에서 핵심은 GND를 최대한 RF라인과 가깝게 합니다. RF 매칭 Line과 GND가 멀어지게 되면 그 거리만큼 인덕터 영향이 있기 때문에 최대한 가깝게 작업 해줘야 합니다.

 

▲ TC-3000C 장비를 이용한 RF TEST Connection 환경

 

TC-3000C 장비를 이용한 RF TEST Connection 환경입니다. 보통 BLE RF TEST를 진행하게 되면 사용한 제품의 전용 소프트웨어가 필요합니다. 장비 메뉴얼과 전용 소프트웨어는 무료로 제공하니 Datasheet를 참고하여 진행 합니다.

 

 

주파수 대역 및 채널

BLE 2.4GHz 주파수 측정 대역은 2400~2485.MHz입니다. 2400~2485.MHz 범위 안의 채널에서 동작해야 한다는 의미 입니다.

 

▲ 2402~2480Mhz 0~39Channel BLE 2.4GHz 측정 범위

 

보통 RF TEST를 진행하면 위처럼 0~39 Channel LOW,MID,HIGH(2402,2440,2480)3가지 Channel을 확인 합니다. 2MHz 단위로 Channel은 구별 됩니다.

▲ Blutooth Specipicatio Version 4.1 Operation Frequency Band

 

outputpower(TRM-LE/CA/01/C)

4-1. 목적 및 설명

- Outputpower(TRM-LE/CA/01/C) BLE 트랜스미터의 경우 최대 전력 설정에서의 출력 전력 레벨은 아래 표와 같이 0.01mW (-20dBm) ~   10mW (+10dBm)이어야합니다.

▲ Blutooth Specipicatio Version 4.1 Transmission Power

4-2. 시험 조건

- DUT는 PRBS9로 TEST Packet을 전송한다.

- Packet 길이: 37

- Frequency: Low(2402), Mid(2440), High(2480)

 

4-3. 통과 판정

- -20dBm ≤ Pavg ≤ +10dBm

- PPK ≤ Pavg +3dBm

 

4-4. 장비 설정

- Payload: PRBS 9, Payload's length: 37 bytes, Num. of packets: 1

- Limit : -20.00dBm <= Pavg <= 10.00dBm, Ppk-av <= 3.00dB

 

 

- Output Power(TRM-LE/CA/01/C) 측정 DATA

Sample	CH(MHz)	Pavg(dBm)	Ppk(dBm)	Ppk-av(dBm)	Pmin(dBm)	Verdict
Sample 1	0(2402)	-3.84	-3.63	0.21	-4.01	PASSED
	19(2440)	- 4.07	-3.88	0.19	-4.26	PASSED
	39(2480)	-4.18	-4.00	0.18	-4.36	PASSED
Sample 2	0(2402)	-3.73	-3.52	0.21	-3.90	PASSED
	19(2440)	-3.94	-3.71	0.23	-4.12	PASSED
	39(2480)	-3.98	-3.77	0.21	-4.18	PASSED
Sample 3	0(2402)	-3.15	-2.95	0.20	-3.35	PASSED
	19(2440)	-3.22	-3.02	0.20	-3.35	PASSED
	39(2480)	-3.24	-3.09	0.15	-3.36	PASSED

 

- 실제 장비 측정 이미지 DATA

▲실제 장비 측정 이미지 DATA

 

Modulation characteristics(TRM-LE/CA/05/C)

 

5-1. 목적 및 설명

- 변조는 대역폭 비트 기간 곱 BT = 0.5 인 GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying)입니다. 변조 지수는      0.45와 0.55 사이 여야합니다. 이진수 1은 양의 주파수 편차로 표시되고 이진수 0은 음의 주파수 편차로 표시됩니다. 심벌 타이밍은 ± 20 ppm 미만이어야 합니다..(각 전송 Sequence에 대한 주파수 편차를 보기 위함)

 

5-2. 시험 조건

▼ ∆f1avg

- DUT Transmits Test Packets : 37 Octet Packet Payload

- Sequence : 1111 0000

▼ ∆f2Max and ∆f2avg

- DUT Transmits Test Packets : 37 Octet Packet Payload

- Sequence : 1010 1010

- Frequency: Low(2402), Mid(2440), High(2480)

 

5-3. 통과 판정

- 225KHz ≤ ∆f1avg ≤ 275KHz

- 10개의 Test Packet 대해 기록 된 모든 ∆f2Max 주파수 값의 99.9%이상이 185KHz보다 커야한다.

 

5-4. 장비 설정(d = ∆)

- Payload: 11110000 and 1010 bit patterns, Payload's length: 37 bytes, Number of packets: 10

- Limit : 225.0KHz <= df1_avg <= 275.0KHz, df2_pass_rate >= 99.90%, df2/df1 >= 0.80

 

- Modulation characteristics(TRM-LE/CA/05/C) 측정 Data

Sample	CH(MHz)	df1_avg(KHz)	df2_avg(KHz)	df2_min(KHz)	df2_rate(%)	df2/df1	Verdict
Sample 1	0(2402)	246.8	238.5	205.7	100.00	0.97	PASSED
	19(2440)	247.5	240.2	207.8	100.00	0.97	PASSED
	39(2480)	253.4	245.8	209.0	100.00	0.97	PASSED
Sample 2	0(2402)	243.3	234.4	192.6	100.00	0.96	PASSED
	19(2440)	249.3	236.9	202.5	100.00	0.95	PASSED
	39(2480)	254.0	240.5	202.4	100.00	0.95	PASSED
Sample 3	0(2402)	250.0	232.3	196.0	100.00	0.93	PASSED
	19(2440)	255.5	241.0	203.4	100.00	0.94	PASSED
	39(2480)	255.2	244.8	208.2	100.00	0.96	PASSED

 

Carrier Frequency offset and Drift(TRM-LE/CA/06/C)

6-1. 목적 및 설명

- 패킷 중 중심 주파수의 편차는 초기 주파수 오프셋과 드리프트를 포함하여 ± 150kHZ를 초과하지 않아야합니다. 패킷 중 주파수 드리프트는 50kHZ 미만, 패킷 중 주파수 드리프트는 50kHZ 미만, 드리프트 속도는 400 HZ/us 미만이어야합니다. 패킷 내 송신기 중심 주파수 드리프트의 한계는 아래 표에 지정되어 있습니다.

▲ Blutooth Specipicatio Version 4.1  주파수 오프셋 및 드리프트

6-2. 시험 조건

- DUT Transmits Test Packets: 37 Octet Packet Payload

- Sequence: 1010 1010

- Frequency: Low(2402), Mid(2440), High(2480)

 

6-3. 통과 판정

- fTX – 150KHz ≤ fn ≤ fTX + 150Khz

- | f0 – fn | ≤ 50 KHz

- | f1 – f0 | ≤ 20 KHz and | fn – f(n-5) |   n=6,7,8,…k ≤ 20 KHz

 

6-5. 장비 설정(d = ∆)

- Payload: 1010 bit patterns, Payload's length:37 bytes,

- Limit : |fTX-f[n]| <= 150.0KHz, |f[0]-f[n]| <= 50.0KHz, |f[1]-f[0]| <= 20.0KHz, |f[n]-f[n-5]| <= 20.0KHz

 

- Carrier Frequency offset and Drift(TRM-LE/CA/06/C) 측정 Data

Sample	CH(MHz)	fTX-f[n](KHz)	f[0]-f[n](KHz)	f[1]-f[0](KHz)	f[n]-f[n-5](KHz)	Verdict
Sample 1	0(2402)	-6.8	6.5	-5.3	6.9	PASSED
	19(2440)	-7.1	-7.9	-3.7	-6.4	PASSED
	39(2480)	-7.2	-9.2	-6.0	6.5	PASSED
Sample 2	0(2402)	-9.1	-15.7	-8.9	8.4	PASSED
	19(2440)	-8.1	-11.2	-5.8	8.5	PASSED
	39(2480)	-8.6	-11.4	-7.3	-7.5	PASSED
Sample 3	0(2402)	34.9	15.1	-6.7	-10.6	PASSED
	19(2440)	35.3	13.2	-5.2	-10.1	PASSED
	39(2480)	33.9	-11.0	-6.2	-9.6	PASSED

 

7-1. 목적 및 설명

- 실제 감도 레벨은 원시 비트 오류율 (BER) 0.1 %가 충족되는 입력 레벨로 정의됩니다. 수신기 감도는 송신기 사양을 준수하는 모든 Bluetooth 송신기에서 –70dBm 이하입니다.

 

7-2. 시험 조건

- DUT는 Test빈도로 수신하도록 설정

- Tester는 PRBS9(37 Octet)로 Test Packet를 전송

- Signal Level: -70dBm

- Frequency: Low(2402), Mid(2440), High(2480)

 

7-3. 통과 판정

- Tester가 전송한 최소 1500개의 패킷에 대해 30.8% Packet Error Rate

 

7-4. 장비 설정

- Payload: PBRS9, Payload's length: 37 bytes, Packets to transmit: 1500, RX (DUT) power: -70.00dBm

- Limit: pkts_sent >= 1500, PER < 30.80%

 

- Receiver Sensitivity (RCV-LE/CA/01/C) 측정 DATA

Sample	CH(MHz)	pkts_sent	pkts_rcvd	PER(%)	Verdict
Sample 1	0(2402)	1500	1342	10.533	PASSED
	19(2440)	1500	1419	5.400	PASSED
	39(2480)	1500	1303	13.133	PASSED
Sample 2	0(2402)	1500	1346	10.267	PASSED
	19(2440)	1500	1435	4.333	PASSED
	39(2480)	1500	1371	8.600	PASSED
Sample 3	0(2402)	1500	1480	1.333	PASSED
	19(2440)	1500	1456	2.933	PASSED
	39(2480)	1500	1474	1.733	PASSED

- 12000Packet전송 실제 장비 측정 이미지 DATA

▲ 12000Packet 검토 실측 Data

 

8-1. 목적 및 설명

- 최대 입력 신호 레벨은 RX 수신기에 허용되는 최대 허용 신호 레벨입니다. DUT는 저, 중, 고주파 채널에서 작동하며 테스터는 -10dBm의 전력 제어 신호 레벨을 보내며 0.1 %의 행 비트 오류율 (BER)을 충족합니다.

 

8-2. 시험 조건

- DUT는 Test빈도로 수신하도록 설정

- Tester는 PRBS9(37 Octet)로 Test Packet를 전송

- Signal Level: -10dBm

- Frequency: Low(2402), Mid(2440), High(2480)

 

8-3. 통과 판정

- Tester가 전송한 최소 1500개의 패킷에 대해 30.8%  Packet Error Rate

 

8-4. 장비 설정

- Payload: PBRS9, Payload's length: 37 bytes, Packets to transmit :1500, RX (DUT) power: -10.00dBm

- Limit: pkts_sent >= 1500, PER < 30.80%

 

- Maximum input signal level (RCV-LE/CA/06/C) 측정 Data

Sample	CH(MHz)	pkts_sent	pkts_rcvd	PER(%)	Verdict
Sample 1	0(2402)	1500	1497	0.200	PASSED
	19(2440)	1500	1498	0.133	PASSED
	39(2480)	1500	1500	0.000	PASSED
Sample 2	0(2402)	1500	1384	7.733	PASSED
	19(2440)	1500	1453	3.133	PASSED
	39(2480)	1500	1440	4.000	PASSED
Sample 3	0(2402)	1500	1498	0.133	PASSED
	19(2440)	1500	1497	0.200	PASSED
	39(2480)	1500	1499	0.067	PASSED

9-1. 목적 및 설명

- PER 테스트는 테스터가 전송 한 일련의 연속 테스트 패킷 중에서 피 시험 기기가 수신 한 패킷 수를 세는 것에 근거한다. 주파수 호핑이 비활성화 된 상태에서 테스터가 수행됩니다.PER = (피 시험 기기가 CRC를 통과 한 패킷 수 / 테스트에 의해 전송 된 총 패킷 수) 100 %

 

9-2. 시험 조건

- DUT는 Test빈도로 수신하도록 설정

- Tester는 PRBS9(37 Octet)로 Test Packet를 전송

- Signal Level: -30dBm

- Tester가 전송 한 총 패킷 수는 내부에서 100 ~1500사이의 짝수여야 한다.

- Frequency: Low(2402), Mid(2440), High(2480)

 

9-3. 통과 판정

- 각 개별 측정에 대해 50% ≤ PER ≤ 65.4%

 

9-4. 장비 설정

- Payload: PBRS9, Payload's length: 37 bytes, Packets to transmit:1500, RX (DUT) power: -30.00dBm

- Limit: pkts_sent >= 1500, 50.00% <= PER <= 65.40%

 

- PER Report Integrity (RCV-LE/CA/07/C) 측정 Data

Sample	CH(MHz)	pkts_sent	pkts_rcvd	PER(%)	Verdict
Sample 1	0(2402)	1500	750	50.00	PASSED
	19(2440)	1500	750	50.00	PASSED
	39(2480)	1500	750	50.00	PASSED
Sample 2	0(2402)	1500	750	50.00	PASSED
	19(2440)	1500	750	50.00	PASSED
	39(2480)	1500	749	50.06	PASSED
Sample 3	0(2402)	1500	750	50.00	PASSED
	19(2440)	1500	749	50.06	PASSED
	39(2480)	1500	749	50.06	PASSED

 

Bluetooth Specification Version 4.1을 적용하여 검토한 결과 TX : Output Power, Modulation characteristics, Carrier frequency offset and drift RX : Receiver sensitivity, Maximum input signal level, PER Report Integrity 항목에 대한 규격에 적합함을 TC-3000장비를 이용해 확인 하였습니다.

 

TC-3000장비에는 이 외에도 Quick (OP+MOD+CFOD)이라는 측정항목이 있는데요 이 항목은 test조건이 비슷한 TX테스트 항목 Output power, Modulation Characteristics, Carrier frequency offset and drift를 테스트 시간을 단축하기 위해 일괄 측정하는 양산용 TEST Mode이므로 따로 Bluetooth Specification에 있는 항목은 아닙니다.