Bitraten-Fehlern auf den Zahn gefühlt

Petra Georg, Teradyne, München

Auch beim Testen von Single-Chip-Bluetooth-Komponenten gelten im Prinzip die beiden wesentlichen Prüfanforderungen hohe Testabdeckung und die Wirtschaftlichkeit der Prüfungen. Die volle Testabdeckung wird erzielt, indem man den betreffenden Baustein so testet, wie er in der realen Applikation eingesetzt wird. Dabei kommuniziert das zu prüfende Bauelement mit dem Tester entsprechend dem Bluetooth-Protokoll so, wie es mit einem anderen Bluetooth-Chip kommunizieren würde. Dabei ermöglicht die Frequenz-Hopping-Option der Teradyne-Tester den Austausch von Daten zwischen dem Chip und dem Tester in Echtzeit. Bei diesem Konzept übernimmt der Tester die Aufgabe des Senders, der die Kommunikation initiiert. Unmittelbar nach dem Verbindungsaufbau wird die Bit-Fehlerrate (BER) gemessen. Neben den Real-Life-Tests werden auch einige parametrische Prüfungen durchgeführt, eine gute Wirtschaftlichkeit wird durch Mehrfach-Paralleltests erzielt.

Die Hauptbestandteile des Chipsatzes sind der Baseband-Kontroller, der Flash-Speicher- und der Radio-Chip, der im ISM-Band (2,4 bis 2,5 GHz) arbeitet. Diese drei Komponenten befinden sich auf einer Leiterplatte, die Anordnung innerhalb des Moduls entspricht dabei der Bluetooth-Systemspezifikation V1.0A. Die Firmware für das Host-Controller-Interface (HCI) und den Link-Manager sind ebenfalls im Modul integriert. Von Seiten des Testers wird der Aufbau als Single-Chip-Bluetooth-Baustein behandelt, beim Testen erfolgt der Zugriff auf das Modul über die HCI-Schnittstelle. Außerdem stehen USB- oder UART/PCM-Schnittstellen für die digitale Kommuni-kation mit dem Modul ebenso wie ein Antennen-anschluss des Radio-Chips zur Verfügung. Tests wie zum Beispiel Strom-, Frequenz- und Leistungsmessungen, BER- und Empfindlichkeitstests benutzen ei-ne echte Datenübertragung. Das Flash-Memory wird bei Tests genau wie in ei-ner Applikation zum Speichern von Daten verwendet. Das Testkonzept geht allerdings davon aus, dass der Spei-cher bereits vor der Montage auf der Leiterplatte geprüft wurde. Auf speziel-le Speicher-Testverfahren wird deshalb derzeit verzichtet.

Die Sendefunktion des Radio-Chips wird mit parametrischen Prüfungen, wie zum Beispiel dem Frequenzmas-ken-Test, gemessen. Der Test des Empfangsteils erfolgt hauptsächlich durch Zählen der Bit-Fehler beim Datenempfang, wobei die Sendetests digitale Da-ten aus einer Pattern-Schleife als Stimu-lus verwenden. Das HF-Verhalten des Bausteins wird mit der FFT-Spektralanalyse (Fast-Fourier-Transformation) oder der FM-Demodulationsanalyse bestimmt. Das Test-Pattern steuert die HF-Messinstrumente und stellt damit die Synchronisation zwischen den digitalen Eingangsdaten und den HF-Messungen am Antennenausgang sicher. Dabei gibt es mehrere Parameter, die von Interesse sind. Das Evaluieren des HF-Spektrums erfolgt mit Hilfe von Leistungsmessungen bei verschiedenen Offset-Frequenzen vom Träger-signal, während digitaleZufallsdaten gesendet werden.

Die Frequenz-Shift des Trägersignalsbeim Senden logischer Pegel wird ge-messen, indem ein Pattern die digi-tale Schnittstelle des Bluetooth-Moduls mit einer kontinuierlichen Bit-Folge aus Einsen oder Nullen stimuliert. Die-ses Pattern triggert den Digitizer, be-vor es in einer Endlosschleife wiederholt wird. Anschließend wird das übertra-gene HF-Signal digitalisiert. Mit einer FM-Demodulator-Software sowie einem nachfolgenden Filter werden die hoch-frequenten Komponenten aus dem Spektrum entfernt. Der Ausgang des FM-Demodulators liefert ein Rechtecksig-nal (Y-Achse in Hz), das bei Null zentriert ist und das Trägersignal darstellt. Der Maximalwert korrespondiert mit der Frequenzabweichung beim Verschicken von digitalen Einsen, während der Minimal-wert mit der Frequenzabweichung beim Verschicken von digitalen Nullen korrespondiert.

Bei dieser Prüfung handelt es sich um einen Test bei offener Schleife, bei dem der im Chip integrierte VCO (Voltage-Controlled-Oszillator) driften darf. Die Einschwingzeit beim Über-tragen wird durch das Einstellen des Tester-Receivers auf die Kanalfrequenz, auf die der Baustein springen (Hop-ping) soll, gemessen. Das Pattern löst dann dieses Hopping aus und trig-gert gleichzeitig den Digitizer, anschlie-ßend wird die Einschwingzeit des VCOs gemessen. Ähnlich wie beim Messen der Frequenzabweichung er-fordert dieser Test die Demodula-tor-Funktion im Zeitbereich, um ei-nen leicht bewertbaren Datensatz zu erhalten.

Die aussagekräftigste Messung auf der Empfangsseite eines Bluetooth-Chips ist die der Bit-Fehlerrate. Der Radio-Chip kann normalerweise durch das Senden einer wahlfreien Datensequenz an den Antennenanschluss getestet werden. Sie ist GFSK-kodiert (Gaussian-Frequency-Shift-Keying) und wird durch eine mikrowellen-modulierte Quelle des Testers mit einer Trägerfrequenz von etwa 2,4 GHz bereitgestellt. Die gleiche Bit-Folge muss an der digitalen Schnittstelle des Bausteins erkannt werden. Ein digitales Pattern sorgt für die benötigte Synchronisation zwischen dem HF-Signal und den digitalen Daten. Das GFSK-Signal wird in einem frei programmierbaren System-Synthesizer mit einer niedrigeren Trägerfrequenz erzeugt. Gleichzeitig mit dem Verschicken des modulierten Signals sendet der Synthesizer ein Condition-Bit, das vom digitalen Pattern ausgewertet und zur Synchronisation verwendet werden kann. An-schließend wird das modulierte Signal auf 2,4 GHz hochgemischt und an den Baustein geschickt. Zu diesem Zeitpunkt startet auch die Datenerfassung.

Bei der erfassten Bit-Sequenz kann es wegen der Laufzeiten im Baustein zu einem zeitlichen Versatz kommen. Deshalb müssen gesendete und erfasste Sequenzen zeitlich aufeinander abgestimmt werden, bevor ein aussagekräftiger BER-Test durchgeführt werden kann. Dies geschieht mit Hilfe einer Autokorrelations-Routine, die nach einer Startsequenz von digitalen Einsen und Nullen sucht.

Die Empfängerseite eines Bluetooth-Radios wird mit BER-Tests geprüft, während gleichzeitig bestimmte Para-meter, wie etwa die Eingangsleistung, die Trägerfrequenz und der Frequenz-Offset, variiert werden. Der Bluetooth-Systemstandard schreibt einen Bitraten-Fehler von maximal 0,1 % vor. Im Vergleich zu anderen drahtlosen Standards ist dies keine sehr strenge Anforderung. Darum lassen sich mit vernünftigen Datenmengen BER-Tests in der Produktion durchzuführen.

Bei einem Single-Chip können die glei-chen Tests durchgeführt werden. Auch hier wird zur Durchführung eines BER-Tests ein GFSK-moduliertes Eingangssignal am Empfänger benötigt. Die Bit-Folge auf der digi-talen Seite wird jetzt an einer anderen Schnittstelle aufgezeichnet, und zwar so, dass der komplette Baseband-Teil des Bluetooth-Chips im Messpfad liegt. Tests am Sender können entsprechend angepasst wer-den.

Wenn jedoch in den Bluetooth-Komponenten Firmware enthalten ist, sind die Betriebsbedingungen nicht mehr so einfach. Das Bluetooth-Modul folgt ei-ner Prozedur zum Aufbau und zum Erhalt der Kommunikation mit einem anderen Modul gemäß den Regeln des Bluetooth-Systems.

Das Frequency-Hopping-Verfahren stellt eines der Kernelemente dieser Regeln dar. Trägerfrequenzen werden nach ei-nem komplexen Algorithmus aus der Adresse des Moduls und seines Takt-Offsets berechnet. Das Hopping wird wäh-rend des gesamten Kommunikationsprozesses durchgeführt, also von Beginn des Aufbaus einer Verbindung bis zu ihrem Ende. Der Testerübernimmt entweder die Aufgabe des Senders oder die des Empfängers. Um BER-Tests mit Chips die-ses Integrationsgrads durchführen zu können, muss die Kommunikationsprozedur in Echtzeit nachgebildet werden. Am wichtigsten ist dabei, dass die Synchro-nisation während des gesamten Datenaustauschs mit dem Modul aufrechterhal-ten bleibt. Die Testsysteme von Teradyne stellen dies durch eine Vektor-Synchro-nisation der analogen Instrumente sicher (Pattern-Control). Die Mikrowellen-Option kann man als Erweiterung der AC-Instrumente im höheren Frequenzbereich betrachten.

Zum Durchführen eines EmpfindlichkeitsTests (BER) unter realen Betriebsbedingungen genügt es nicht, eine Pseudo-Zufalls-Sequenz zum Baustein zu schicken. Vor dem Verschicken von Daten für BER-Tests muss eine Verbindung zwischen dem Tester und dem Baustein aufgebaut werden. Und weil diese Prozedur das Frequency-Hopping nutzt, muss das modulierte Signal die erwarteten Informationen enthalten und mit der korrekten Trägerfrequenz beim Baustein ankommen. Die Auswahl der Trägerfrequenz erfolgt entsprechend der Hopping–Spezifikation, die benötigten Frequenzen werden in einer C-Routine berechnet.

An dieser Stelle kommt die Frequency-Hopping-Option von Teradyne ins Spiel. Mit ihrer Hilfe kommuniziert das Test-system je nach Bedarf mit den Bluetooth-Modulen. Über das digitale Pattern kann der Anwender die Trägerfrequenzen be-liebig umschalten. Die Option enthält die Hop-Tabellen als ein Speichersegment, in das die berechneten Trägerfrequen-zen einprogrammiert werden. Ein Steuerungssystem, das ebenfalls auf dem Frequency-Hop-Board untergebracht ist, lädt die nächste programmierte Träger-frequenz in das Frequenz-register des 6-GHz-Synthe-sizers, wenn es über den Vektor-Bus getriggert wird. Während das Bluetooth-Modul für den Datenempfang eingestellt ist, schickt das Testsystem GFSK-mo-dulierte Daten an den Antennenanschluss. Dabei steu-ert das digitale Pattern, das den Datentransfer synchronisiert, sowohl die Frequenzliste als auch den Syntheziser, der das modulierte Signal sendet. Das GFSK-Signal wird auf die aktuelle HF-Trägerfrequenz gemischt und anschließend zum Baustein geschickt. Wenn die Kommunikation auf einer an-deren Trägerfrequenz erfolgen soll, wird ein entsprechender Befehl über den Vektor-Bus geschickt und damit die nächste Frequenz in den Mikrowellen-Sender geladen. Dieser schwingt in we-niger als 100 µs auf die neue Frequenz ein und übertrifft damit die Bluetooth-Spezifikation, die maximal 220 µs vorschreibt. Während des Einschwingvorgangs kann die Datenausgabe des Syn-thesizers vorübergehend unterbrochen werden.

Das Arbeitsprinzip ist ähnlich, wenn das Bluetooth-Modul Daten sendet. Die-se Daten sind GFSK-kodiert und wer-den gemäß des Standards auf variie-renden Trägerfrequenzen verschickt. Die Daten werden auf Baseband-Frequen-zen herunter gemischt und mit einem Digitizer gemessen. Das Dekodieren und die Analyse erfolgen wie beschrieben. Sobald ein Sprung auf die nächste Trä-gerfrequenz bevorsteht, initiiert das di-gitale Pattern das Laden der nächstenFrequenz aus der Hop-Table-Liste in das Frequenzregister des HF-Synthesizers, der den Down-Konverter im Mikrowel-len-Messinstrument des Testers treibt. Dadurch bleibt das heruntergesetzte Signal, das die Informationen enthält, während der gesamten Kommunika-tionsprozedur in der gleichen Bandbreite und kann wie beschrieben analysiert werden.

Das getestete Modul arbeitet gemäß Bluetooth-Standard. Es überträgt und empfängt Informationen als GFSK-modu-liertes Signal und springt dabei perio-disch auf eine andere Trägerfrequenz (Frequency-Hopping). Die Mikrowellen-Quelle von Teradyne erzeugt GFSK-Signale, die im 2,4-GHz-Band springen und vom Baustein ausgewertet werden können. Die Messinstrumente setzen das GFSK-Signal in einen Frequenzbereich um, in dem es mit einem Digitizer ge-messen werden kann. Ein HF-Synthesi-zer steuert den Down-Konverter und folgt dabei den Trägerfrequenz-Einstellun-gen des Moduls. Die durchgeführten Tests sind Microwave-zu-Digital- und Digital-zu-Microwave- Prüfungen. Notwendige Tester-Ressourcen für einen Single-Site-Test sind eine modulier-bare, zum Frequenz-Hopping fähige Hochfrequenzquelle, die das Signal über einen Mikrowellen-Port speist, sowie 16 digitale High-Speed-Kontrollpins und zwei DC-Quellen für die Spannungs-versorgung des Moduls. Zur Steigerung des Durchsatzes und damit zur Kostensenkung können Tests auch mit ei-ner Low-Cost-Testerkonfiguration vierfach parallel durchgeführt werden.

EPP 193