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。蓝牙1.2版(标准速率)当前提供721 kb／s的最大数据传输率，理论值为1 Mb／s。蓝牙2.0版(增强速率EDR)的是蓝牙无线技术的演进，提供的最大实际数据传输率为2.1 Mb／s，理论值为3 Mb／s。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η