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Grundsätzliches und Testparameter zu Bluetooth 5: Ausgabe 08/2020, 28.05.2020

Vor unerwünschten Überraschungen gewappnet sein

Die Bluetooth-Technologie hat sich im Laufe der Jahre sehr gut im Markt etabliert. Die Erweiterung auf V5 erfordert jedoch vom Systemdesigner sehr gute Testkenntnisse, damit in der Applikation, speziell im IoT, keine unerwünschten Überraschungen auftauchen.

Autor: Henning Wriedt, USA-Korrespondent

Bilder: Keysight Technologies Switzerland S.A.

Die in der Applikationsschrift von Keysight Technologies beschriebenen Bluetooth-Tests umfassen unter anderem die schrittweise manuelle Einrichtung mehrerer Parameter zur Erzeugung von Wellenformen mit spezifischen Nutzlasten und beinhalten oft mehrere Iterationen im Messprozess.

Keine neue Technologie
Die Bluetooth-Technologie gibt es seit fast 20 Jahren und durchlief seitdem fünf Generationen. Die V1.0 war für den Kabelersatz mit niedriger Datenrate konzipiert. Die V2.0 wurde mit einer schnelleren Datenrate ausgestattet. Mit V3.0 erschien der Hochgeschwindigkeitsmodus mit 24 Mbps.
Die Versionen bis V3.0 sind als Bluetooth Classic bekannt. In Bluetooth 4.0 wurde Blue-tooth Low Energy (LE) mit einer Datenrate von 260 kbps gestartet und für Geräte mit geringem Stromverbrauch optimiert, sodass es über einen langen Zeitraum mit geringem Stromverbrauch betrieben werden kann.
Bluetooth 4.2 wurde speziell für IoT-Anwendungen weiterentwickelt. Es umfasste IPv6-Unterstützung für die IP-Verbindung zum Endknoten, eine bessere Sicherheit und eine 10-fache Erhöhung der Paketkapazität für einen schnelleren Datendurchsatz.
Bluetooth 5 erschien 2016 und beinhaltete mehrere energiesparende Funktionen zur Verbesserung von IoT-Anwendungen. Im Vergleich zum früheren Niedrigenergiestandard (V4.0) bietet es die Vorteile einer zweifachen Geschwindigkeit und einer 4-fachen Reichweitenverbesserung. Die grössere Reichweite wird durch die Kanalcodierung mit dem Kompromiss einer niedrigeren Datenrate erreicht. In früheren Versionen war keine Kanalcodierung enthalten. Bluetooth 5 erhöht auch die Datenübertragungskapazität um das 8-fache. Die wichtigsten neuen Funktionen und Testparameter sind:
■ Hohe Kapazität für die Übertragung von Nachrichten: Die 8-fache Erhöhung der Kapazität für Nachrichten ermöglicht es Bluetooth-Geräten, grössere Datenmengen an andere Geräte zu senden, ohne dass sie gepaart werden müssen. Das Bluetooth 5-Gerät wird stärker standortbezogen sein, sodass die Benutzer zusätzliche Navigationsfunktionen nutzen können. Ein Benutzer kann sich beispielsweise in einem Zentrallager leichter orientieren.
■ Doppelte Geschwindigkeit und 4-fache Reichweite: Das Bluetooth 5-Headset wird jetzt wahrscheinlich für ein Gebäude funktionieren. Man stelle sich vor, ein Headset funktioniert auch dann, wenn man sein Heimbüro verlässt, um zum Beispiel in die Garage zu gehen. Bluetooth 5 könnte auch der Backup für eine WLAN-Verbindung sein. Die Reichweite ist bei Bluetooth 5 um den Faktor vier verbessert worden, sodass man sich theoretisch bis zu 300 Meter von einem Bluetooth 5-Lautsprecher entfernen kann, ohne dass die Verbindung unterbricht.  Die genaue Entfernung wird jedoch durch die jeweils verwendete Hardware festgelegt. Die Geschwindigkeit wird doppelt so hoch sein wie bei Bluetooth 4.2 LE. In der Praxis lässt sich diese Geschwindigkeit aber wahrscheinlich nicht erreichen; aber man wird gegenüber Bluetooth 4 immer noch eine deutliche Geschwindigkeitsverbesserung feststellen.
■ Verbesserte Störfestigkeit oder Koexistenz: Bluetooth 5 wurde um eine physikalische Schicht erweitert, die Störungen von nahe gelegenen drahtlosen Geräten vermeiden hilft. Störungen auf benachbarten Bändern lassen sich erkennen und verhindern (slot availability mask). Dies trägt dazu bei, die Koexistenz und Interoperabilität in einem sehr aktiven Frequenzspektrum zu verbessern.
■ Mehr Energieeffizienz: Bei so vielen neuen Funktionen in Bluetooth 5 könnte man meinen, dass das Gerät mehr Strom verbraucht. Die Realität ist, dass sich die Datenrate oder Bandbreite verringern lässt, um eine bis zu 4-fach erhöhte Reichweite zu erreichen, wobei der Stromverbrauch ähnlich hoch ist wie bei Bluetooth 4.
■ Rückwärtskompatibilität: Alle wichtigen Verbesserungen in Bluetooth 5 betreffen die energiesparenden Funktionen, die für IoT-Anwendungen optimiert sind. Auf der Bluetooth Classic-Seite hat sich nichts geändert. Bluetooth 5 wird einen obligatorischen Niedrigenergie-Modus beibehalten, der mit der Niedrigenergie-Version von Bluetooth 4.2 abwärtskompatibel ist. Aber um die zusätzlichen Funktionen von Bluetooth 5 nutzen zu können, ist ein neuer Funkchip erforderlich.
■ Mesh-Netz: Im Juli 2017 veröffentlichte die Bluetooth SIG eine unabhängige Erweiterung der Bluetooth Core-Spezifikation mit der Bezeichnung Bluetooth Mesh. Zusammen mit anderen Erweiterungen macht das Hinzufügen von Mesh-Netz zu den Bluetooth 5-Funktionen diese besonders vorteilhaft für industrielle IoTAnwendungen. Mit einem Mesh-Netz können alle Geräte im Netz miteinander kommunizieren – im Gegensatz zu einer sternförmigen Topologie, bei der die Geräte mit dem zentralen Hub verbunden sein müssen. Dies macht die Grösse und Fläche des Mesh-Netzes praktisch unbegrenzt – wie bei einem grossen verbundenen Sensornetz. Wie man erkennt, konzentrieren sich die Verbesserungen von Bluetooth 5 auf die Erweiterung der Funktionalitäten für IoT-Anwendungen. Bluetooth 5 wird die IoT-Erfahrungen verbessern und einfache Verbindungen über eine breite Palette von angeschlossenen Geräten ermöglichen, einschliesslich Wearables, Systeme des Gesundheitswesens, intelligente Sensoren und industrielle Anwendungen. Weitere detaillierte Spezifikationen findet man in dem Applikationsbericht.

Signalerzeugung und -analyse
Keysight bietet Lösungen zur BluetoothSignalerzeugung und Signalanalyse, die alle Bluetooth-Testfälle bis hin zu Bluetooth 5 abdecken können. Die N9081C BluetoothMessanwendung läuft in einem X-Series Signalanalysator ab und umfasst alle Messungen, die man während des Produktvalidierungsprozesses benötigt. Der Generator verfügt auf Knopfdruck über Selbsttests mit Pass/ Fail-Ergebnissen, die den Testaufbau und die Datenanalyse vereinfachen.
Es kann Messungen zur Sendeanalyse, Messungen der Nachbarkanalleistung und des Ausgangsspektrums, sowie der In-BandStörabstrahlungsmessungen mit verbesserter Datenrate und In-Band-Emissionsmessungen mit niedriger Energie durchführen – und auch noch das HF-Spektrum überwachen. Das N7606B ‹Signal Studio für Bluetooth› ist ein flexibles Programm für die Signalerzeugung, das die Zeit für die Signalerzeugung und -simulation reduziert.
Man kann zudem problemlos BluetoothStandard konforme Signale für Komponenten-, Sender- oder Empfängertests erstellen. Bei der Bluetooth-Sendeanalyse muss man dann mehrere Testaufgaben bewältigen, wie beispielsweise Spitzenleistung, Durchschnittsleistung, Modulationseigenschaften, Frequenzdrift und andere.
Die Bluetooth-Messanwendung N9081C bietet Einknopf-Messungen mit Pass/Fail- Metriken gemäss dem jeweils neuesten Standard. Man kann auch mehrere Darstellungen der Messergebnisse (Bild) auswählen.
Weitere Themen des interessanten Applikationsberichtes sind:
■ Bluetooth LE In-Band-Emissionstest
■ Bluetooth 5 LE codiert für grosse Reichweite
■ Messungen von Bluetooth LE-Empfängern
■ Bluetooth LE und Bluetooth 5 Signalfunktionstests.

Der Applikationsbericht kann kostenlos im Downloadcenter heruntergeladen werden.

Applikationsbericht: 08_20.50.pdf

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