Bluetooth® Low Energy (LE) für Wearables, Peripheriegeräte und IoT

Bluetooth® Low Energy (LE)

Tests von Bluetooth® Low Energy

Bluetooth® LE – die Zukunft der Bluetooth®-Technologie

Die mit Bluetooth® 4.0 eingeführte Bluetooth® Low Energy (LE)-Technologie bedeutete nicht weniger als eine Revolution: Endlich war eine Lösung mit extrem niedrigem Stromverbrauchverfügbar, die speziell auf die Anforderungen von Peripheriegerätenund Wearableszugeschnitten war. Bluetooth® LE ist ideal für Anwendungen, die eine spontane Kommunikation mit geringem Datenvolumenerfordern – zum Beispiel Smartwatches, Sport-Tracker oder medizinische Geräte. Die erste Version von Bluetooth® LE hatte eine maximale Datenrate von 1 Mbit/s und lag damit deutlich unter den 3 Mbit/s, die Bluetooth® Classic bot. Jedoch verbrauchte die neue Übertragungstechnik auch nur die Hälfte der Energie und führte die schnelle Kopplung über dedizierte Werbekanäle ein.

Mit Bluetooth® 5.0 wurde der Anwendungsbereich von Bluetooth® LE weiter auf das Internet der Dinge (IoT)ausgedehnt. Neue Features wie eine höhere Datenrate von 2 Mbit/s, Langstreckencodierung (Coded PHY) und erweiterte Werbefunktionen kamen hinzu. Außerdem wurde mit dieser Version die erlaubte Anzahl von Geräten pro Ad-hoc-Netzwerk erhöht. In Verbindung mit der Bluetooth® Mesh-Spezifikationebnete dies den Weg für neue Möglichkeiten bei der Heimautomatisierungund in industriellen Anwendungen.

Spätere Versionen verbesserten die Bluetooth®-Technologie weiter. Bluetooth® 5.1 setzte an den Peilfähigkeitenan und sah nun die Nutzung von Einstrahlwinkel (AoA) und Abstrahlwinkel (AoD) vor. Bluetooth® 5.2 führte native Audio-Unterstützungund intelligente Leistungssteuerungein. Diese Entwicklungen machen deutlich, dass Bluetooth® LE die langfristige Zukunft der Bluetooth®-Technologie darstellt.

Überblick über Bluetooth® LE

Bluetooth® LE basiert auf dem adaptiven Frequenzsprungverfahren(adaptive frequency-hopping, AFH) innerhalb der weltweit verfügbaren ISM-Bänder bei 2,4 GHz. Es nutzt eine Gauß‘sche Frequenzumtastungsmodulation(GFSK) mit einer Symbolrate von 1 oder 2 Msym/s (LE 1M, LE 2M). Dieser Frequenzsprungmechanismus erstreckt sich über 37 universelle HF-Kanäle und gewährleistet eine robuste und effiziente Kommunikation.

Vergleich von LE 1M und LE 2M
Vergleich von LE 1M und LE 2M

Für größere Reichweitenführte Bluetooth® 5.0 in Verbindung mit LE 2M LE-codierte Kanäle ein. Diese Kanäle bieten zwei optionale Codierungsverfahren: S=8, wobei acht Symbole ein einzelnes Bit darstellen, und S=2, wobei zwei Symbole ein einzelnes Bit darstellen. Das Schema S=8 wird speziell auf den Header-Teil beider LE-codierten Kanäle angewendet.

Vergleich von Bluetooth 5.0 und 4.2.
Vergleich von Bluetooth® 5.0 und 4.2.

Neben der Unterstützung der Werbekommunikation über primäre und sekundäre Werbekanäle unterstützt Bluetooth® LE auch asynchrone Kommunikationsverbindungen (ACL). Der Zweck dieser Verbindungen ist die Steuerung der Signalisierung und des Best-Effort-Datenverkehrs. Darüber hinaus werden mit Bluetooth® LE Connected Isochronous Streams (CIS) und Broadcast Isochronous Streams (BIS) eingeführt, die beide speziell für LE Audio-Anwendungen gedacht sind.

Bluetooth® LE-Tests – Bitübertragungsschicht

Für die Kommunikations-Performance insgesamt sind mehrere Faktoren maßgeblich:

  • Antennendesign
  • Netzgeräte
  • Koexistenz mit Chips anderer drahtloser Kommunikationsstandards, z. B. LTE und WLAN
  • Endgültiges Gehäuse

Während und nach der Designphase ist es wichtig, gründliche Tests durchzuführen, um die Genauigkeit der übermittelten Informationen sicherzustellen und die gewünschten Performance-Benchmarks zu erreichen.

Es gibt verschiedene HF-Test-Methoden für Bluetooth® LE-Geräte. Ein Ansatz beinhaltet die Nutzung einer herstellerspezifischen Steuerschnittstelle, die häufig für vollautomatisierte Tests in Forschung und Entwicklung sowie in der Produktion eingesetzt wird.

Für Konformitätstestsvon Bluetooth® LE-Geräten hat die Bluetooth® Special Interest Group (SIG) den Direct Test Mode(DTM) standardisiert. Dieser Modus ermöglicht das Testen des Bluetooth® LE-Senders und -Empfängers, indem zur Steuerung eine spezielle kabelbasierte Testschnittstelle verwendet wird.

Messaufbau für den Bluetooth LE Direct Test Mode zur RFPHY-Qualifizierung
Messaufbau für den Bluetooth® LE Direct Test Mode zur RFPHY-Qualifizierung

Der direkte Testmodus erfordert einen Kabelanschluss am Messobjekt (implementation under test, IUT) zur Teststeuerung. Für diesen Zweck wurden zwei Optionen spezifiziert: eine USB- oder RS232-Verbindung zum Host Controller Interface (HCI) des IUT und eine dedizierte 2-Draht-UART-Verbindung zum IUT. Dieser Messaufbau gewährleistet eine äußerst zuverlässige und sichere Steuerung des IUT.

Zu den Tests für die Bitübertragungsschicht von Bluetooth® LE gehören in der Regel:

  • Sendertests, die Aspekte wie Sendeleistung, Leistungsdichtenspektrum, Nebenaussendungen und Modulationsgenauigkeit abdecken
  • Empfängertests, mit denen die Empfindlichkeit und Blocking-Performance bewertet werden
  • Einführung neuer Funktionen, z. B. Peilung
Sendertests und Empfängertests im Vergleich

Die Branche sucht nach Möglichkeiten für unkomplizierte Over-the-Air-Tests (OTA) von Bluetooth® LE-Geräten, bei denen Kabelverbindungen oft ausgeschlossen sind. Rohde & Schwarz begegnet diesem Problem mit zwei Optionen:

  • Nutzung der primären Werbekanälefür Empfänger- und Sendermessungen
  • Verwendung einer Standard-Bluetooth® LE-Verbindungzum Testen – besonders nützlich zur Bewertung der Performance von Anwendungen wie Audio/Video-Streaming oder Datentransfer

Wir haben außerdem eine spezielle Testlösung entwickelt, um die Testmöglichkeiten über einen Bluetooth®-Kanal weiter zu verbessern. Diese unterstützt eine DTM-ähnliche Teststeuerungdurch ein angepasstes Protokoll auf der Bluetooth®-Sicherungsschicht, eine Methode, die von der Bluetooth® SIG in einer kommenden Version unterstützt werden soll.

DTM-ähnliche Teststeuerung über Funk für die RFPHY-Qualifizierung von Bluetooth LE
DTM-ähnliche Teststeuerung über Funk für die RFPHY-Qualifizierung von Bluetooth® LE

Hocheffiziente Lösungen für Bluetooth® LE-Tests

Die Messtechniklösungen von Rohde & Schwarz unterstützen Bluetooth® BR, EDR und LEgemäß den neuesten Bluetooth® Core-Spezifikationen. Wir decken den gesamten Produktentwicklungszyklusab, und diese umfassende Unterstützung wird durch ein umfangreiches Portfolio für digitales Design, Low-Power-Anwendungen und Over-the-Air-Tests (OTA) ergänzt.

Die R&S®CMW Wireless-Testplattform ist eine vielseitige Lösung,die Bluetooth®-Testsbis Version 5.x unterstützt. Sie deckt Bluetooth® LE DTMentsprechend der Spezifikation der Bluetooth® SIG ab und zudem die Full-Stack-Signalisierung. Darüber hinaus bietet sie ein robustes Testautomatisierungstoolund unterstützt bereits die DTM-ähnliche Teststeuerung für Bluetooth® LE-Geräte über eine Bluetooth®-Funkverbindung, sodass keine kabelbasierte Teststeuerschnittstelle erforderlich ist.

Für alle maßgeblichen Rohde & Schwarz Messgeräte, darunter die Signalgeneratoren und -analysatoren, sind Bluetooth®-Testfunktionen verfügbar. Diese Geräte bieten umfassende Unterstützung für Bluetooth® sowie für andere nicht-zellulare und zellulare Standards.

Möchten Sie Ihre konkreten Bluetooth® LE-Testfälle mit unseren Experten besprechen?

Testlösungen für Bluetooth® Low Energy

R&S®SMBV100B Vektorsignalgenerator

Unterstützung für Bluetooth® BR/EDR/LE mit hervorragender EVM-Performance bei hohen Ausgangspegeln

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R&S®FSV3000 Signal- und Spektrumanalysator

Bluetooth® BR/EDR/LE-Tests auf Knopfdruck – hohe Geschwindigkeiten und großer Durchsatz

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R&S®CMW270 Wireless Connectivity Tester

Bluetooth® LE-Tests sowohl im Non-Signaling- als auch im Signaling-Modus – von der Bluetooth® SIG zugelassen

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R&S®TS8997 Zulassungstestsystem für Wireless-Geräte

Zuverlässige vorgeschriebene Tests nach ETSI und FCC für Wireless-Geräte, die in den ISM-Bändern arbeiten

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R&S®CMW100 Communications Manufacturing Test Set

Der führende HF-Tester für mehrere Messobjekte gleichzeitig und verschiedenste Technologien, optimiert für Produktionslinien

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R&S®CMW-Z10 Schirmkammer

Ausgezeichnete Schirmwirkung und Kopplungseigenschaften für Bluetooth® OTA-Tests

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Knowledge+ Bluetooth® LE-Tests

Webinar: Redefining testing for Bluetooth® Low Energy

In diesem Webinar erhalten Sie einen Überblick über die neuesten Entwicklungen bei Bluetooth® LE. Zudem werden entsprechende Testlösungen vorgeführt.

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Webinar: Everything you need to know about Bluetooth® Low Energy (LE)

Bringen Sie sich in Sachen Bluetooth® LE auf den neuesten Stand und erfahren Sie mehr über Testherausforderungen und -lösungen

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Poster: Connecting almost everything with Bluetooth® Low Energy

Überblick über die Bluetooth® Low Energy-Technologie einschließlich Physical-Layer-Optionen, Funkpeilung, Leistungssteuerung und Audio-Streaming.

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Flyer: Unplug! Bluetooth® Low Energy testing reinvented

Vorstellung des weltweit ersten Bluetooth® Low Energy Test Mode für Messungen über die Luftschnittstelle – die einfachste und genaueste Methode zum Testen von Bluetooth® Low Energy

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Application Note: Bluetooth® Low Energy over-the-air advertiser testing

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White Paper: From cable replacement to the IoT – Bluetooth 5.1

Überblick über Bluetooth®-Technologien mit Schwerpunkt auf der Bitübertragungsschicht gemäß Version 5.1

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Application Note: Bluetooth® Adaptive Frequency Hopping on a R&S®CMW

Leitfaden zum adaptiven Frequenzsprungverfahren für eine bessere Bluetooth® BR/EDR-Signalisierungsleistung

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Applikationsbroschüre: Bluetooth® testing with the R&S®CMW

Ausführlicher Überblick über die Bluetooth®-Technologie und Tests von Bluetooth®-Geräten mit dem R&S®CMW500

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Application Note: Advanced Bluetooth® RF Tests with R&S®CMWrun

Ausführlicher Leitfaden zu Anforderungen und Messaufbauten für Bluetooth®-HF-Tests mit dem R&S®CMWrun

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Application Card: Leitungsgebundene Koexistenztests innerhalb eines Geräts

Einführung in HF-Koexistenztests für Automotive-Infotainmentsysteme

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Erläuterung der Mechanismen des direkten Testmodus zum Testen von Bluetooth® Low Energy-Geräten

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