蓝牙射频调变模式与测量

1 引 言

蓝牙是一种无线个人区域网络(WPAN)技术，IEEE将其作为802.15.1，它具有非常广阔的应用前景。由于蓝牙EDR用移相键控(PSK)调变模式替代标准速率的高斯频移键控(GFSK)，实现较高数据传输率，蓝牙收发系统的射频设计也由直接调制VCO架构转向I&Q混合架构，提高了电路集成度，从模拟信号处理转向数字信号处理。在研发蓝牙应用产品的过程中，射频部分是一个关键环节，其性能的好坏决定了蓝牙无线通信质量的优劣。因此，本文主要分析蓝牙标准速率与增强速率的三种调变模式的差异性，以及用实时频谱仪测量蓝牙跳频信号的方法。

2 蓝牙系统简述

蓝牙系统工作于ISM频段上，通常是在2.402～2.48 GHz之间的79个信道上运行，信道带宽1 MHz，采用了跳频扩频技术(FHSS)。蓝牙v1.2系统使用称为0.5BT高斯频移键控(GFSK)的数字频率调变模式实现彼此间的通信。即将载波向上频移157 kHz代表“1”，向下频移157 kHz代表“0”，基本传输速率为1 Mb/s。在发送器中，先通过高斯脉冲滤波器对基带数据整形，然后在压控振荡器(VCO)上进行简单的FSK直接调制，实现了GFSK调变模式。将数据滤波器的-3 dB带宽设定在500 kHz，-20 dB带宽设定在1 MHz，以限制射频信号的占用频带。

蓝牙设备之间的通信采用时分复用(TDD)技术，即接收器和发送器在不同的时隙交替传送信息，如：单时隙(DH1)、三时隙(DH3)和五时隙 (DH5)等，时隙公称长度为625μs。在很拥挤的频段上，为了保证可靠地链接设备，采用一种载频受伪随机序列控制的跳频模式，最大跳频速率为1 600跳/s。

蓝牙v2.0是对蓝牙v1.2进行改进，加入了增强速率(EDR)特性，它不仅具备v1.2的所有功能特性，并且在数据封包的负载部分运用了两种新的调变模式。它使用移相键控(PSK)技术来调变RF载波，使每个符号的位元数增加2～3倍，因此，提供了2 Mb/s和3 Mb/s的最高资料速率。EDR封包1使用π/4-DQPSK调变模式，EDR封包2使用8DPSK调变模式。在发送器中，先通过平方根升余弦滤波器(滚降系数α=0.5)对基带数据整形，后经过差分编码在I&Q架构中进行PSK调制;在接收器中，先解调还原基带数据，后用平方根升余弦滤波器整形，实现了 π/4-DQPSK和8DPSK两种调变模式;其结果-20 dB信道带宽达1.5 MHz，比GFSK调变模式稍大。

3 基带数据速率封包

3.1 蓝牙基本速率封包

蓝牙v1.2基带数据封包中包含了存取码、标头、保护时段(guard band)和负载(payload)，如图1所示。基本速率调变指的是GFSK，数据会以每个符号携带一个位元的方式，在1 Mb/s的资料速率下进行传输，因此符号速率为1 Ms/s。资料会利用最小115 kHz的载波频率中的位移或偏差，在RF载波上调变。高斯脉冲波形将-20 dB的频宽维持1 MHz，频谱利用率比BFSK高一倍。

3.2 蓝牙增强速率封包

蓝牙v2.0 EDR封包先在存取码和标头的部分使用GFSK调变模式，但是，在保护时间5μs之后，负载部分则用π/4-DQPSK或8DPSK调变模式，如图2所示。在保持指定的1 Ms/s符号速率前提下，增强速率分别提升资料速率到2 Mb/s或3 Mb/s，即每个符号发射二到三位码元。通过测试发现结果，在封包的GFSK调变部分振幅显得相当固定，但在DPSK调变波形中振幅却有较大的波动。

4 数字调变模式

在蓝牙射频部分中，调变模式是关键性技术，直接决定通信系统的性能优劣。蓝牙v2.0采用两种新型的数字调变模式，大大地提升了蓝牙通信系统的质量。

4.1 π/4-DQPSK和8DPSK的星座图

针对2 Mb/s传输速率而定义的第一种EDR调变模式为π/4旋转差分编码四相移相键控(π/4-DQPSK)。将图3左边星状图看成是两个彼此偏移45°的 QPSK星状图的叠放，即相当于A、B方式。每个符号时间的符号相位，是从两个QPSK星状图中交替选择而来，因此，后续符号的相位差是±π/4 和±3π/4四个角度中的一个。星状图的4个资料点造就了每个符号携带二个位元的传输速率，即它的资料速率是GFSK调变模式的两倍。

针对3 Mb/s传输而定义的第二种EDR调变模式为8相差分编码移相键控(8DPSK)，它提高资料速率的关键在于为每个符号增加4个星状图资料点，全部8个星状图资料点可达到每个符号发射三个位元的传输速率，即资料速率是GFSK调变模式的三倍。如图3右边所示，A方式8DPSK。这种调变的优点是能用非相干解调模式，缺点是星状图资料点间的距离较小对杂讯有较高的灵敏度。

4.2 频带利用率

频谱效率ηB又称频带利用率，用来衡量通信系统的有效性。它定义为单位带宽传输频道上每秒可传输的比特数，单位是b/s/Hz。对于发送与接收系统的滤波器频带，取传输信道(含发送、接收滤波器)带宽，即-20 dB带宽。若传输信道的带宽为B，数据传输率为R。则：

利用平方根升余弦(root-raised cosine)脉冲来提高频带利用率，是把升余弦滤波器分别放置在收发两端，即将接收滤波器和发送滤波器设计(匹配)为平方根升余弦函数(升余弦函数的平方根)。若不考虑由信道引起的码间串扰，两个平方根升余弦函数相乘就得到升余弦形式的合成的系统传输函数(滚降系数α=0.5)。此时频带利用率：。

根据频带利用率的定义，将三种调变模式的ηB值计算在表1中。结果表明：采用多进制数字调变模式，虽然提高了频带利用率，却要牺牲信道带宽和信噪比等。