IoT Bluetooth モジュールの選定ガイドアプリケーションノート

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ゆきさかなり
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2 概要 :Bluetooth モジュール組込みの基本プロセス代表的な Bluetooth アプリケーション Bluetooth モジュールのためのパラメータ選択とアプリケーションごとの Bluetooth モジュールの選択方法目次 1. IoTにおけるBluetooth のアプリケーション 3 2. Bluetooth 技術の概要 Bluetooth の区分周波数バンドとチャンネル周波数ホッピング変調 7 3. Bluetoothモジュール組込みの流れ 8 4. Bluetoothモジュールの選定方法 9 5. Bluetoothモジュールで重要なRF 性能テスト変調特性キャリア周波数のオフセットとドリフトインバンドスプリアス放射出力パワー dB 帯域幅周波数範囲パワー密度アウトオブバンドスプリアス放射レシーバテストテクトロニクスのBluetooth ソリューション 18 2 JP.TEK.COM

3 1. IoT における Bluetooth のアプリケーション IoT 時代の到来により 2015 年には市場の 49 億個のデバイスがインターネットに接続されており 2020 年には 250 億個まで成長すると予測されていますエレクトロニクス関連の雑誌やインターネット上のあらゆる場所で IoT に関する技術概念製品に関する記事を見つけることができますインターネットに接続されるデバイスは日々の生活のどこにでも見ることができます現在ではインターネットは仮想空間のコンテンツを通信するだけでなく徐々に形のあるデバイスの間での連携が確立され始めていますこのようなスマートシティで生活すると相互接続されたデバイスによってわたしたちの暮らしの品質は日々改善されます既に知られている仮想空間としてのインターネットはより形のあるものになり世界はまさに IoT の時代に入ろうとしています代表的なアプリケーションを以下に示しますスマートシティホームオートメーション健康管理交通管制交通照明水道メータスマートメータ警報装置温度 / 照明の制御エネルギー制御スマート家電保守リモート看護医薬品のトラッキングアクセス制御救急車のトラッキング自動車スマート製造ウエラブル車々間通信走行記録有線通信の置き換えマルチメディアエンターテインメント組立ラインの最適化リアルタイム在庫管理部品のトラッキングセキュリティアラームエンターテインメントフィットネススマートウォッチ位置情報の提供現時点では IoTで広く採用されている通信技術として Wi-Fi Bluetooth ZigBee Z-Wave NFC その他のモバイル通信技術がありますさらに ISM( 産業 / 科学 / 医療 ) バンドのための規格化されていないASK やFSKに似たシンプルな変調形式も使用されています IoTの開発メーカは最適な無線技術を選定する場合コスト消費電力通信距離安全性などアプリケーションに応じてさまざまな要素を考慮する必要があります Bluetooth 技術は RS232シリアル通信の代替として 1994 年に開発されました Bluetooth とWi-Fi はある意味補完性があります市場には現在数十億のBluetooth デバイスがあり携帯電話タブレットPC パソコンテレビセットトップボックスゲーム機などが含まれておりこの数は将来も増え続けるものと考えられます Bluetooth 規格には数多くのバージョンがあり V1.0 V1.1 V1.2 V2.0などから最近ではV4.0 V4.1 V4.2もありますこの中で Bluetooth Smartと呼ばれるBluetooth 4.0は高速通信が要求されない IoTにおいて幅広いアプリケーションで数多く採用されていますこれは低消費電力 ( それ以前のバージョンに比べて 90% 削減 ) のためでありウエラブルデバイスには理想的です JP.TEK.COM 3

4 図 2. Bluetooth モジュールのスマートデバイスへの統合図 3. Bluetooth Smart による家電製品のインターネットへの接続 4 JP.TEK.COM

5 図 4. クラシック Bluetooth の周波数分布 2. Bluetooth 技術の概要 2.1 Bluetoothの区分現状のマーケットと将来のIoTの開発トレンドを基に考えると Bluetoothの技術はクラシックと Low Energy(LE) の2 種類に区分されますクラシック Bluetoothはデータの伝送レートが確保されているため Bluetooth ヘッドセットなどのアプリケーションに最適であり高品質な音楽が伝送できますクラシックBluetooth はさらにベーシックレート (BR) と拡張データレート (EDR) に分類されます Bluetooth Low Energyはシンプルな情報伝送に注力されておりエレクトロニクス製品の使用可能な時間を伸ばそうとしていますしかし Bluetooth LEは大きなデータの高速伝送には適していません IoT 市場のBluetooth Low Energy/Bluetooth V4.0アプリケーションの強い要求に応えるため Bluetooth SIGはBluetoothを装備した既存のスマートデバイスに対して Bluetooth SmartとBluetooth Smart Readyという 2 種類の認証マークを策定しました IoTデバイスの開発メーカは最適なBluetooth のバージョンを選定するのに悩みますがこの選定にはアプリケーションの種類が大きく影響します最新の Bluetooth Low Energyを装備したデバイスとクラシック Bluetoothを装備したデバイスが通信する場合は Bluetooth Smart Readyが最適ですそうでない場合は低電力バージョンの Bluetooth Smartで十分です 2つのBluetooth SIG 認証マークの定義を以下に説明します 2.2 周波数バンドとチャンネル Bluetoothは 2.400GHz から2.4835GHzの範囲を持った 2.4GHz ISM 周波数バンドで動作する近距離無線通信技術ですクラシック Bluetoothには合計で79 のチャンネルがありチャンネル間隔は 1MHzですこれには 2.400GHz( 下端 ) で2MHz GHz( 上端 ) で3.5MHzのガードインターバルが含まれます Class IIの電子デバイスの最も一般的な放射電力は+4dBmでありレシーバの感度は -90dBmです JP.TEK.COM 5

図 5. Bluetooth Low Energy(4.0) の周波数分布 Bluetooth Low Energy(Bluetooth 4.0) は低消費電力とコストに注力しているためフィルタ設計の要件は比較的低く変調係数はクラシックBluetooth の0.28~0.35から0.45~0.

3 周波数ホッピング周波数ホッピングは Bluetooth 規格の主要特性の一つです当初は混雑するISM 周波数バンドで他の信号との共存を解決するために設計されました Bluetoothは Wi-Fiと同じ周波数バンドを共有するため信号のキャリア周波数を頻繁に変更して同じバンドの他の信号との干渉を避ける必要があります

6 図 5. Bluetooth Low Energy(4.0) の周波数分布 Bluetooth Low Energy(Bluetooth 4.0) は低消費電力とコストに注力しているためフィルタ設計の要件は比較的低く変調係数はクラシックBluetooth の0.28~0.35から0.45~0.55になっていますこのためチャンネル間隔は2MHzに増え合計で40 チャンネルになっています 2.3 周波数ホッピング周波数ホッピングは Bluetooth 規格の主要特性の一つです当初は混雑するISM 周波数バンドで他の信号との共存を解決するために設計されました Bluetoothは Wi-Fiと同じ周波数バンドを共有するため信号のキャリア周波数を頻繁に変更して同じバンドの他の信号との干渉を避ける必要があります言い換えれば Bluetoothの信号は非常に短い時間でしか固定チャンネルで送信されずそのチャンネルに留まることもできません他の信号との干渉が検出されると Bluetooth 干渉されていない別のチャンネルにホッピングして再送信します Bluetooth のホッピング周波数は毎秒 1,600 回であり Bluetoothデバイスの研究 / 開発 / テストには大きな課題となっていますさらにより多くのデバイスが Wi-FiとBluetoothの両方を搭載するようになっていることも問題を難しくしています図 6. Bluetooth と Wi-Fi の周波数バンドの共存 6 JP.TEK.COM

7 変調データレートベーシックレート GFSK 1Mbps EDR π/4-dqpsk 2Mbps 8DPSK 3Mbps Low Energy GFSK 1Mbps 図 7. Bluetooth と Wi-Fi の周波数バンドの共存 2.4 変調 Bluetooth 規格では最も基本的な変調方式として GFSK( ガウシアン周波数シフトキーイング ) が使用されています名前が示すように GFSKはFSK 技術に属しています元のデジタル信号が FSK 変調に送られる前にガウシアンローパスフィルタによって通信送信のための変調信号のスペクトラム幅が制限され制限されたスペクトラム幅による消費電力も制限されますガウシアンフィルタにより Bluetooth 信号に必要な帯域幅は1MHz に制限され変調係数は0.28 ~0.35になります Bluetooth Low Energyでは必要な周波数間隔は 2MHzになり変調係数は 0.45~0.55になるため設計コストが低減でき必要となる電源要件も抑えられます EDRのBluetooth では信号の送信レートを上げるため変調方式を低い送信レートで低消費電力の GFSKからπ/4-DQPSKおよび8DPSKの 2 種類のPSK( 位相シフトキーイング ) にアップグレードしていますしたがって送信時のシンボルレートは 1Mシンボル /sのままでも π/4-dqpskという高次の変調によって送信レートは 2Mbpsに上げることができ 8DPSKでは 3Mbpsまで上げることができますこのようにして Bluetooth のデータ伝送速度は大幅に改善されます JP.TEK.COM 7

8 3. Bluetooth モジュール組込みの流れ新しい通信技術が開発されると従来からある商品であっても新しい機能を搭載できるようになりますコーヒーマシン歯ブラシエアコンなど家電製品が無線機能を搭載してスマート家電になるのでユーザは携帯電話などのモバイルデバイスのアプリケーションを使用することでいつでもこのような家電製品をコントロールできるようになりましたこのようなスマートプラットフォームのアプリケーションは短期間で開発でき近くにある電気製品をいつでも簡単にコントロールできるなどユーザには大きな恩恵をもたらします上記のようなスマート / 無線電気製品を実現するためには従来の家電メーカ新しい装置を開発する新規メーカは製品への無線機能の組込み方法を学ぶ必要があります既存製品に Bluetooth 機能を統合する方法は数多くありますが最も一般的な方法はBluetooth のモジュールを使用することです Bluetooth モジュールを購入すれば全体のプロセスを大幅に簡素化できますが直面しなければならない問題点も数多くありますここではまず既存製品にBluetooth モジュールを組込む場合の代表的な設計プロセスを説明し各プロセスで発生すると考えられる問題点を考えます Bluetooth 機能を製品に搭載する場合の手順 : 1 アプリケーションに適した無線規格を選定し要求仕様を満たすには Bluetooth が最適であることを確認する 2 製品に最適な Bluetooth のチップまたはモジュールを選定する 3 テスト機器を選ぶまたは RF 設計の専門家を雇う 4 Bluetooth のチップまたはモジュールを製品に組込む 5 アンテナのテストと最適化を実施する 6 ラボにおいて規制当局で求められている認証試験の事前テストを実行する - 発生する可能性のある問題点を調べ手順 4 5 に戻って調整する 7 各国または地域の無線認可機関において認証試験を申請する (10 万 ~30 万円 / 日 ) - 試験不合格の場合は手順 3 に戻る 8 Bluetooth 機能の組込みを完了するこのでは手順 2:Bluetooth のチップまたはモジュールの選定方法を中心に説明します 8 JP.TEK.COM

9 図 8. Bluetooth モジュールの簡易ブロック図 4. Bluetooth モジュールの選定方法 Bluetoothモジュールは機能部品であり適切なシステムに組込まれた場合にのみ正しく動作します Bluetooth モジュールの選定においてはハードウェアとソフトウェアの十分な検討が必要になります Bluetooth モジュールのハードウェアは Bluetooth チップとアプリケーションプロセッサで構成されますマーケットに出回っているほとんどの製品はアプリケーションプロセッサを搭載した Bluetooth モジュールを組込んでいますモジュールのアプリケーションプロセッサは内蔵または外付けのフラッシュメモリ ROM RAMを搭載していますさらにこのようなモジュールではタイムクロックシリアル通信インタフェースコンパレータ ADC DAC 水晶オシレータデバッグインタフェースなどさまざまなI/O インタフェースを装備しています一般にBluetoothモジュールはセキュリティを確保しユーザ操作開発者の管理を容易にする独自のアプリケーションソフトウェアサポートが必要です図に示すようにモジュールのソフトウェアは通常制御プログラムとフル機能の管理 / 制御プログラムを含んでいます Bluetooth その他のRFモジュールの選定では想像以上に市場に数多くのソリューションがあることに気付きますモジュールの製造メーカまたは供給業者は通常伝送レート伝送距離周波数バンド規格適合性パッケージ寸法などによってモジュールを分類しています適切なモジュール選定で影響を及ぼす可能性のあるパラメータを簡単に説明します JP.TEK.COM 9

10 項目プロトコル / 規格概要 Bluetooth 規格は現時点において代表的なベーシックレート (BR) 拡張データレート (EDR) 最新の Low Energy(LE) を含めて数多くのバージョンがありますそれぞれの無線規格バージョンには長所と短所がありますそれぞれに異なった仕様があるためアプリケーションに適したデータ送信レート必要な消費電力その他のパラメータでモジュールを選定する前にそれぞれの長所短所を考慮する必要があります絶え間ない無線規格の進歩により新しい規格ではより高速なレート低消費電力が可能になりますしかし一方成熟した規格はより大きなマーケットシェアと優れた互換性という利点があります例えば Bluetoothモジュールを選定する場合そのモジュールが他の規格をサポートしているかなどといった要素も考慮する必要があります Bluetoothモジュールは2.4GHz バンドで動作するので高速伝送の要求に応えるためにWi-Fi に対応していることもあります周波数バンドクラシック Bluetoothでは 2.400GHz~2.4835GHzにおいて合計で 79チャンネルありチャンネル間隔は1MHz です Bluetooth Low Energy(Bluetooth 4.0) は低消費電力とコストに注力しているためフィルタ設計の要件は比較的低くチャンネル間隔は2MHzに増えチャンネル数は40になっています Bluetoothと Wi-Fiを一つの装置に搭載する場合 Wi-Fiの動作周波数バンドには注意が必要であす b/g/nはBluetooth と同じ2.4GHz で動作しますが a/h/j/n/ac/pなど他のバージョンのWi-Fiが必要な場合は Bluetoothモジュールは 5GHzに対応する必要がありモジュール設計のコストを押し上げることになります伝送距離 Bluetooth のネットワークは他の無線技術同様距離が限られています伝送距離はバージョンによって異なり Bluetooth Low Energy(Bluetooth 4.0) では長くなります同じバージョンでも電力クラスによってサポートされる伝送距離は異なります電力クラスが上がると伝送距離は伸びます各クラスを以下に示します Class 3: 最長 1mであり至近距離の伝送に適用されます Class 2: 最長 10mでありほとんどのモバイルデバイスに適用されます Class 1: 最長 100mであり主に工業用に適用されます実際の信号伝送の有効距離は伝送条件素材製造のバラツキアンテナバッテリなど実際の環境条件によって異なります伝送出力パワーと動作電流 / 電圧パワーが大きければ到達する距離も伸びます Bluetooth のパワー要件を以下に示しますパワークラス最大パワー (dbm) パワー制御要件 1 20 必須 2 4 任意 3 0 任意機器は Bluetooth 規格で規定されている要件の他に国または地域の行政機関によるスペクトラム規制当局で規定されているパワー要件にも適合しなければなりません一般に Bluetooth デバイスはバッテリで動作しますバッテリの充電サイクルバッテリ寿命に直接影響するため機器の動作電流 / 電圧は慎重に検討する必要があります 10 JP.TEK.COM

11 概要マイクロプロセッサ / マイクロコントローラは RFモジュールの中枢部のようなものですハードウェアの機能を最適化し無線データを受信し信号を高速に処理しますプロセッサの選定で考慮しなければならないものには価格寸法メモリ容量消費電力周辺機器の拡張性処理速度などがあります Android iphone/ipad Linux WindowsがBluetooth 規格をサポートするのでエンドユーザはスマートプラットフォームを利用することによりBluetoothの接続がすばやくセットアップでき Bluetoothのアプリケーションのモニタもできます製品でこの機能を有効にするのであればオペレーティングシステムとそのドライバサポートを検討する必要があります Bluetooth Low Energyは単純な情報伝送にフォーカスされており送信レートを確保するようには規格化されていないため理論上の最高帯域幅 (1MHz) の送信レートをサポートしていません高速レートでデータを送信するとBluetooth Low Energyは大きな電力を消費し本来の設計コンセプトに矛盾します高速な送信が必要な場合は EDR Bluetoothまたは Wi-Fiによる高速なレートを検討するべきです伝送レートを高速化した場合はどのような手法であっても間違いなく大きな電力を消費します変調方式データレートベーシックレート GFSK 1Mbps 拡張データレート (EDR) π/4-dqpsk 2Mbps 8DPSK 3Mbps Low Energy GFSK 1Mbps アンテナとインタフェース Bluetooth モジュールのアンテナは無指向性アンテナと指向性アンテナの 2 種類に大きく分類されます無指向性アンテナは 360 の範囲で信号を放射でき信号のカバーエリアを最大化します代表的なアプリケーションには家庭またはオフィス環境でのネットワークがあります指向性アンテナは特定の方向のみに信号を送ります代表的なアプリケーションにはポイント間送信がありますアンテナインタフェースはチップアンテナとU.FL インタフェースによる外部アンテナに分類されますチップアンテナはここ数年で一般的になってきた新しい技術ですモジュール全体のサイズはおよそ mmと小型化されています外部アンテナは使い方に柔軟性があるため寸法の制約にしばられないようなアプリケーションに適していますまたアンテナが規制当局に認可されていることも選択上の重要な要件ですモジュールアンテナが共に認可されていれば国によってはそれだけで製品自体が適合することがあります項目マイクロプロセッサ / マイクロコントローラオペレーティングシステム ( O S ) ( ドライブサポート ) 送信レート通常の動作温度ハードウェアインタフェースその他の要素規制コンプライアンス : EMI/EMC 適合 Bluetooth モジュールの一般的な動作温度は -40~+85 です現在ほとんどの Bluetooth モジュールは商業用途向けの温度範囲で設計されています使用時にファンなどの保護装置または隔離壁が取り付けられている場合に広範囲な温度で動作可能なモジュールもあります最も一般的なデータインタフェースとしてはシリアル UART 接続 SDIO(SDインタフェース ) SPI(Serial Peripheral Interface) またはUSBがあります SDIO SPI USBのインタフェースはデータの高速伝送には欠かせませんデジタルインタフェースは機器とプロセッサの接続に使われますその他に検討すべき項目としては外観と寸法パッケージング PCB 設計実時刻のタイムスタンプ自動スリープ / アクティベーション無線によるファームウェアアップデートデモボードユーザプログラムインタフェースなどがありますモジュールの製造メーカは製品を事前認証またはテストした状態で市場に送り出しておりモジュールとしては規制をクリアしていますこのような認証デバイスを買ったとしても統合された製品は規制当局で規定されたEMI 試験を再び受ける必要があるのでしょうかその答えはYESです世界中のほとんどのスペクトラム規制当局はヨーロッパの ESTI/CE 認証の適用除外などの関連法規規制をもっていないため無線組込製品は規制当局で規定されたEMI 試験を受けて認証されなければなりませんつまり EMIの認証および試験はモジュールではなく製品ベースで受ける必要があります詳細については当社無線 LAN 機器を技術基準 / 無線規格に適合させるためのプリコンプライアンスをご参照ください JP.TEK.COM 11

12 Bluetooth モジュールのすべての特性の中で送信レートカバレッジ範囲消費電力が重要な要素になります過去 10~20 年において科学者や技術エンジニアは絶え間ない努力により無線によるデータ送信を高速にしてきました無線通信システムの多重化符号化変調はますます複雑になり同時に処理と計算にかかるコストと消費電力も増えました Bluetooth 技術そのものは高速伝送に優れているものではありませんアプリケーションで高速が求められている場合は n や802.11ac などの高速のWi-Fiプロトコルが推奨されますほとんどのモジュールは同時にBluetooth 機能も組込まれており機器の拡張性も広がります一方医療モニタリング安全性のモニタリングなど接続性のみを重視するアプリケーションであればまず消費電力を検討することになります 5. Bluetooth モジュールで重要な RF 性能テスト Bluetooth モジュールの購入で RF エンジニアは不要になるか? 従来からの RF 製造をしていないメーカが製品に無線モジュールを統合する場合の最も大きな問題の一つは RF 開発経験に乏しいということです幸いなことにモジュールの製造メーカは IoT(Internet of Things モノのインターネット ) のための無線接続ソリューションを数多く提供し始めていますこのようなメーカは独自に無線モジュールを開発テストしているため RF 分野におけるエキスパートになります RF 技術に戸惑う場合このようなメーカは大きな手助けになりますートート図 9. Bluetooth モジュール選定におけるトレードオフトリしかしモジュール製造メーカのエンジニアに特定の製品への無線モジュール組込に参加してもらい RF 設計で発生するすべての問題を解決することは現実的ではありません IoTデバイスの無線統合によって製品が市場に投入されるようになるまで RFのエキスパートは必要になりますこのような技術サポートは RF 分野に特化したコンサルタントを雇ったり専門機関やテクトロニクスなどの専門 RF テスト機器メーカに頼ることになります IoTのマーケットに現在出回っているほとんどのBluetoothデバイスは単に接続性をテストしたりまたはプロトコルアナライザで伝送品質を検査しているに過ぎませんプロトコルアナライザは診断ネットワークに接続することでアプリケーションレイヤの問題を非常に効率良く検査できますが問題の多くはより複雑な物理レイヤで発生するため Bluetoothのテストではスペクトラムアナライザが欠かせませんスペクトラムアナライザは規格仕様のテストに使えるだけでなく認証機関で規定される放射テストでも使用できさまざまなドメイン電子回路のさまざまな部品からの干渉検出にも使用できます 12 JP.TEK.COM

13 現在マーケットには数多くのスペクトラムアナライザがあります多くのスペクトラムアナライザはハイエンドテスト用にその他のローエンドソリューションは基本測定にフォーカスされて設計されています一方 RSA306B 型などのリアルタイムスペクトラムアナライザとSignalVu-PC ソフトウェアは無線デバイス設計エンジニア製造メーカのための低価格強力ポータブルな計測ソリューションですローエンドのスペクトラムアナライザと違いテクトロニクスのRSA シリーズは 40MHz 帯域と高速のサンプリング周波数により Wi-FiとBluetoothの両方の要求に応えます高価で大型のハイエンドボックスと違い RSA306B 型は従来機器の 1/10 の価格であり片手で持てる大きさです PCベースのソフトウェアには無償の17 種類の測定および観測機能がありオプションで Bluetooth Wi-Fiのテストも実行できますテクトロニクスのSignalVu-PCソフトウェアのBluetooth 解析オプションは機器から出力される RF 信号が SIGによって発行されているV4.1 規格に適合しているか検証しますこのオプションでは BR ( ベーシックレート ) EDR( 拡張データレート ) 最新のLE(Low Energy) の3 種類のBluetooth 規格がテストできますそれぞれの規格のテスト項目にはパワー周波数偏移スペクトラムなど異なったプリセットが含まれています規格で規定されているすべてのテストのパス / フェイルが表示されるため Bluetooth 規格を総合的に理解していなくてもワンボタン操作でテストを実行できます RSA306B 型とSignalVu-PC を使ったスクリーンショットとテストセットアップを以下で説明しますテスト項目の概要テクトロニクスの SignalVu-PCソフトウェアの Bluetoothオプションには数多くのテスト項目が含まれています基本的に Bluetooth で必要となるさまざまなテストをご紹介しますこの章では Bluetooth テストを簡単に説明しますので必要に応じてテスト項目を選択しデバイスが規格要件を満たすことを効率的に検証します 5.1 変調特性変調特性のテストでは伝送信号が変調機能を正しく持っていることを検証しますほとんどのBluetooth 規格では変調形式としてFSK を使用しているため EVM 値を観測する他の複雑な変調形式 (QPSK QAM) と違い周波数偏移によって FSKの変調品質を検査します Bluetooth 規格によると変調特性のテストでは固定周波数または周波数ホッピングのない環境で実行するよう推奨されています Bluetooth の変調特性テストでは周波数偏差のピーク値と平均値をテストするためにとという 2 種類の特殊なデータパターンを送る必要があります実際のデータ伝送は疑似ランダムシーケンスを伝送することでシミュレーションできますがなどの特殊なビットタイプを送ることで Bluetooth の変調特性におけるフィルタテストスペクトラムの変化などさまざまな情報が得られますのビットタイプデータによって4つの 1と0を連続的に送出すると信号出力は周波数偏移の最大値になりガウシアンフィルタ関数が検出できますこの 2 種類の特殊なビットタイプデータは規格で規定されておりトラブルシュートにおいて優れたヒントになります EDR Bluetooth では変調形式として高次の PSKが使用されているためアイダイアグラムとコンスタレーションダイアグラムにより変調状態がより直感的に確認でき EVMによって変調品質が測定できます JP.TEK.COM 13

GFSK 8DPSK 図 10. Bluetooth 信号の高周波偏差テスト (10101010 信号を使用 ) 図 11.

Bluetooth 信号の低周波偏差テスト (11110000 信号を使用 ) 5.

このテストは固定の送信周波数ホッピング周波数または直接送信モードにおいて 10101010のビットパターンで実行します SignalVu-PC でキャリアの周波数 / ドリフトテストが終わると

14 GFSK 8DPSK 図 10. Bluetooth 信号の高周波偏差テスト ( 信号を使用 ) 図 11. Bluetooth 信号の低周波偏差テスト ( 信号を使用 ) 図 12. Bluetooth 信号の高周波偏差テスト ( 信号を使用 ) 図 13. Bluetooth 信号の低周波偏差テスト ( 信号を使用 ) 5.2 キャリア周波数のオフセットとドリフトキャリア周波数のオフセットとドリフトのテストはトランスミッタからの送信信号のキャリア周波数が規定範囲内に制御されており送信周波数が安定していることを検証しますこのテストは固定の送信周波数ホッピング周波数または直接送信モードにおいてのビットパターンで実行します SignalVu-PC でキャリアの周波数 / ドリフトテストが終わると以下のような測定結果が表示されますプリアンブル周波数偏差 ( 初期キャリア周波数偏差 ) データの最大周波数偏差 ( および最大偏差が発生するデータの位置 ) プリアンブルからその前 10 ビットデータまでの周波数ドリフトデータとプリアンブルの最大スペクトラム偏差 (fn-f0)( および最大偏差が発生するデータの位置 ) 50μs 間隔における 10 ビットごとの最大ドリフト ( および最大偏差が発生するデータの位置 ) 14 JP.TEK.COM

このテストは周波数ホッピングしている状態で実施するように推奨されているため 2401MHz~ 2481MHz 80チャンネルの各 1MHzバンドの統合パワーがテストできますテストでは

15 図 14. 標準レート信号における Bluetooth 信号のキャリア周波数オフセット / ドリフトのテスト結果 ( 大きな偏差 ) 5.3 インバンドスプリアス放射インバンドスプリアス放射テストは Bluetooth 伝送バンドのスペクトラムスプリアス信号が規格で規定された範囲に入っていることを検証します Bluetooth 規格ではこのテストは周波数ホッピングしている状態で実施するように推奨されているため 2401MHz~ 2481MHz 80チャンネルの各 1MHzバンドの統合パワーがテストできますテストでは隣接チャンネルの統合パワーが計算され ( 伝送中心周波数近くの 3チャンネルは除く ) 規格で規定されているパワーリミット値と比較されますこのテストは Bluetooth RF 仕様のACPR テストに相当します図 15. Bluetooth Basic Rate 信号のインバンド放射テスト ( 大きな偏差 ) JP.TEK.COM 15

5.4 出力パワー先に説明したように Bluetooth デバイスには 3 種類のパワークラスがありそれぞれにおいてパワーリミットが厳しく規定されています出力パワーテストではテストデバイスの最大ピークパワーと平均パワーを測定します規格では出力パワーテストにおいてはPRBS 信号を伝送するように推奨されており

16 5.4 出力パワー先に説明したように Bluetooth デバイスには 3 種類のパワークラスがありそれぞれにおいてパワーリミットが厳しく規定されています出力パワーテストではテストデバイスの最大ピークパワーと平均パワーを測定します規格では出力パワーテストにおいてはPRBS 信号を伝送するように推奨されておりテスト信号の時間長はプリアンブルとバーストをカバーする必要があります伝送モードは固定周波数が推奨されています dB 帯域幅 20dB 帯域幅テストは送信信号の放射周波数範囲が規格要件に適合することを検証します送信モードは固定周波数が推奨されています 20dB 帯域幅とはテストデバイスによって送信される信号のピークよりも 20dB 低いレベルの帯域幅からきていますベーシックレートでは 20dB 帯域幅は規定通りに 1.0MHz 以下である必要がありますこの仕様を満たさない場合は他のチャンネルに干渉を与えます 5.6 周波数範囲周波数範囲テストは 20dB 帯域幅テストと同様にバンドの送信信号パワーが特定のリミット範囲に入っていることを検証しますこのテストはホッピングしない固定周波数において2つの手順で実行します最初に Bluetooth のローバンド (2399MHz~2405MHz) スペクトラムで行い次にハイバンド (2475MHz~2485MHz) スペクトラムで行いますローバンドにおいて中心周波数のピークパワーよりも 30dB 下がったところの最も低い周波数を (fl) と呼びますハイバンドにおいて中心周波数のピークパワーよりも 30dB 下がったところの最も高い周波数を (fh) と呼びます fh-flが周波数範囲になりますこれはベーシックレートの Bluetooth 規格で求められるテストの一つです 5.7 パワー密度パワー密度テストは送信されるRF 出力の最大パワーが規格要件に適合することを検証します Bluetooth SIGではどのパワークラスのどの変調モードであっても 100kHzあたりのパワーが100mW (20dBm) を超えないように規定していますまた Bluetooth 規格に適合したデバイスであっても地域で規定されるスペクトラム管理規制をチェックする必要がありパワー密度が関連する要件に適合する必要があります例えば European ETSIではパワー密度が 1MHz で20dBW(10mW) を超えないように規定しています図 16. Basic Rate 信号における Bluetooth 信号のインバンド放射テスト ( 大きな偏差 ) 16 JP.TEK.COM

図 17. FCC 15.247 信号のスプリアス放射テストの例 ( 大きな偏差 ) 5.

17 図 17. FCC 信号のスプリアス放射テストの例 ( 大きな偏差 ) 5.8 アウトオブバンドスプリアス放射アウトオブバンドスプリアス放射はさまざまな理由 ( ほとんどの場合がハードウェア設計 ) による送信バンドから外れるエネルギーリークを意味し他の信号やデバイスへの干渉の原因となります EMCの放射テストと同様意図的な放射に対する EMIテストが中心となります一般にアウトオブバンドスプリアス放射は国および地域のスペクトラム規制当局によってテストされるため Bluetooth 規格にはこのテストに関する特別な要件はありません SignalVu-PC はスプリアス測定を標準でサポートしており無償で利用できます 5.9 レシーバテスト Bluetoothのレシーバテストでは Bluetoothレシーバが信号を正しく受信できることを確認します Bluetooth 規格で規定されているレシーバテストの項目には感度テストブロックテストなどがあります一般にレシーバテストには高い確度で校正されたシグナルジェネレータが必要になります TSG4100Aシリーズベクトル信号発生器は高品質な Bluetooth 信号が発生できるため Bluetooth 製品の設計検証テスト製造などに適していますテクトロニクスの TSG4100Aシリーズはお求めやすい価格でミッドレンジのRF VSG 性能と優れたベクトル信号変調機能を備えており Bluetooth のレシーバテストには理想的なソリューションです 400MHz~6.0GHzの広い範囲のベクトル変調信号が出力でき内蔵のIQベースバンドジェネレータにより ASK QPSK DQPSK π/4 DQPSK 8PSK FSK CPM QAM(4~256) 8VSB 16VSBなど IoT 業界で広く採用されているベクトル変調形式に対応します内蔵されている標準パルス形状フィルタとしてはレイズドコサインルートレイズドコサインガウシアン方形波三角波などがあります内蔵の IQベースバンドジェネレータは 125MS/s のサンプリング周波数で16M ファイルを保存できるため Bluetooth 信号でレシーバテストを行うユーザに最適です JP.TEK.COM 17

変調モード (FSK PSK など ) フィルタ形式 ( ガウシアンフィルタなど ) を簡単に設定し必要な Bluetooth 信号を直接出力します製造ラインでのテスト環境テストなどにおける Bluetooth 信号の自動出力モードでは Bluetooth プロトコル要件に適合した IQ 波形ファイルが TSG4100A

27 SignalVu-PC ソフトウェアは強力な RF/ ベクトル信号解析ソフトウェアでありテクトロニクスのすべての RF 製品で使用できます SignalVu-PC は無償で 17 種類の測定が可能でありオプションの追加により簡単にアップグレードできますこれにより Bluetooth の測定トラブルシュートに対応できます

18 SignalVu-PC ソフトウェア図 18. TSG4100A シリーズベクトル信号発生器と RSA306 型リアルタイムスペクトラムアナライザによる Bluetooth Low Energy 信号伝送のデモの例 TSG4100A シリーズはマニュアル自動の両方でさまざまな形式の Bluetooth 信号が出力できますマニュアル出力モードでは周波数パワークラス変調モード (FSK PSK など ) フィルタ形式 ( ガウシアンフィルタなど ) を簡単に設定し必要な Bluetooth 信号を直接出力します製造ラインでのテスト環境テストなどにおける Bluetooth 信号の自動出力モードでは Bluetooth プロトコル要件に適合した IQ 波形ファイルが TSG4100A シリーズの内部メモリに直接送られ Bluetooth 信号が直接出力されます 6. テクトロニクスの Bluetooth ソリューションテクトロニクスの RSA306B 型 RSA600 シリーズスペクトラムアナライザと SignalVu-PC Opt. 27 SignalVu-PC ソフトウェアは強力な RF/ ベクトル信号解析ソフトウェアでありテクトロニクスのすべての RF 製品で使用できます SignalVu-PC は無償で 17 種類の測定が可能でありオプションの追加により簡単にアップグレードできますこれにより Bluetooth の測定トラブルシュートに対応できます以下のような特長があります Bluetooth SIG の仕様におけるクラシック Bluetooth Bluetooth Low Energy の物理レイヤの RF 測定が可能さまざまなテストセットアップにおいてシンプルなプリセットによる復調とシンボルの情報が得られる Bluetooth Basic Rate と Low Energy の自動測定 Bluetooth EDR のパケット検出テクトロニクスのリアルタイムスペクトラムアナライザは設計の詳細を調べることができ製品の市場投入に対してお役に立ちます RSA306B 型 RSA600シリーズスペクトラムアナライザはベンチトップタイプのスペクトラムアナライザに比べて半分以下の価格でBluetooth 信号を測定テストできます 18 JP.TEK.COM

19 RSA306B 型 RSA600 シリーズ電源 USB 3.0バスパワー商用電源最高周波数範囲 9kHz~6.2GHz 9kHz~7.5GHz 最高取込帯域 40MHz 40MHz ノイズフロアプリアンプ : オン dbm/hz) トラッキングなしオプションジェネレータ変調パルスオプションオプション無線規格解析質量 0.73kg 2.88kg 詳細については当社ウェブサイト (jp.tek.com/usb-spectrum-analyzer) をご覧ください JP.TEK.COM 19

20 お問い合わせ先 : オーストラリアオーストリアバルカン諸国イスラエル南アフリカその他 ISE 諸国ベルギーブラジル +55 (11) カナダ中央 / 東ヨーロッパバルト海諸国中央ヨーロッパ / ギリシャデンマークフィンランドフランスドイツ香港インドインドネシアイタリア日本 81 (3) ルクセンブルクマレーシアメキシコ中央 / 南アメリカカリブ海諸国 52 (55) 中東アジア北アフリカオランダニュージーランドノルウェー中国フィリピンポーランドポルトガル韓国ロシア +7 (495) シンガポール南アフリカスペインスウェーデンスイス台湾 886 (2) タイイギリスアイルランドアメリカベトナム年 2 月現在 jp.tek.com テクトロニクス / ケースレーインスツルメンツお客様コールセンターヨッ! 良い TEL: 東京都港区港南品川インターシティ B 棟 6 階記載内容は予告なく変更することがありますのであらかじめご了承ください Copyright 2017, Tektronix. All rights reserved. TEKTRONIX および TEK は Tektronix, Inc. の登録商標です記載された製品名はすべて各社の商標あるいは登録商標です 2017 年 2 月 3GZ オシロ電話受付時間 / 9:00~12:00 13:00~18:00 ( 土日祝弊社休業日を除く )

RF-ASE トレーニング

RF-ASE トレーニング Bluetooth 信号の測定に必要なリアルタイム測定技術本日の内容 Bluetooth 規格の概要 Bluetooth LE(Low Energy) と従来のBluetooth(Classic Bluetooth) スペクトラムアナライザの分類掃引型スペクトラムアナライザとリアルタイムスペクトラムアナライザ Bluetooth 測定ソリューション 2 Bluetooth 規格全体の概要

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