藍牙射頻調變模式與測量

摘 要：介紹了藍牙1.2和2.0版的射頻特性，分析了藍牙射頻信號的三種數字調變模式、兩種數據速率封包格式和信號的星座圖，計算高斯濾波器和根升余弦濾波器的頻帶利用率，說明不同藍牙版本具有不同的射頻特性。根據藍牙跳頻信號的時間特性，提出用實時頻譜儀進行跳頻信號的快速測試。

關鍵詞：藍牙射頻；調變模式；星座圖；實時頻譜儀

中圖分類號：TN919 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1505304

Modulation Mode and Testing for Radio Frequency of Bluetooth

DU Yilin1，MA Qiang2

(Zhejiang Police Vocational Academy，Hangzhou，310009，China)

Abstract：The paper introduces the radio frequency characteristics of bluetooth 1.2 and 2.0 version，analyzes three kinds of digital modulation，two kinds of packet format of the data rate and the constellation graph of the signal，calculates the Freq-Range utilization of Gaussian filter and root-raised cosine filter，explains that different Bluetooth versions possess distinct radio frequency characteristics.According to the time feature of frequency hopping signal of Bluetooth，it forwards out the rapid testing of frequency hopping signal operates with real-time spectrum analyzer.

Keywords：radio frequency of Bluetooth;modulation mode;constellation graph;real-time spectrum analyzer

1 引 言

藍牙是一種無線個人區域網絡(WPAN)技術，IEEE將其作為802.15.1，它具有非常廣闊的應用前景。藍牙1.2版(標準速率)當前提供721 kb/s的最大數據傳輸率，理論值為1 Mb/s。藍牙2.0版(增強速率EDR)的是藍牙無線技術的演進，提供的最大實際數據傳輸率為2.1 Mb/s，理論值為3 Mb/s。由于藍牙EDR用移相鍵控(PSK)調變模式替代標準速率的高斯頻移鍵控(GFSK)，實現較高數據傳輸率，藍牙收發系統的射頻設計也由直接調制VCO架構轉向IQ混合架構，提高了電路集成度，從模擬信號處理轉向數字信號處理。

在研發藍牙應用產品的過程中，射頻部分是一個關鍵環節，其性能的好壞決定了藍牙無線通信質量的優劣。因此，本文主要分析藍牙標準速率與增強速率的三種調變模式的差異性，以及用實時頻譜儀測量藍牙跳頻信號的方法。

2 藍牙系統簡述

藍牙系統工作于ISM頻段上，通常是在2.402~2.48 GHz之間的79個信道上運行，信道帶寬1 MHz，采用了跳頻擴頻技術(FHSS)。藍牙v1.2系統使用稱為0.5BT高斯頻移鍵控(GFSK)的數字頻率調變模式實現彼此間的通信。即將載波向上頻移157 kHz代表“1”，向下頻移157 kHz代表“0”，基本傳輸速率為1 Mb/s。在發送器中，先通過高斯脈沖濾波器對基帶數據整形，然后在壓控振蕩器(VCO)上進行簡單的FSK直接調制，實現了GFSK調變模式。將數據濾波器的-3 dB帶寬設定在500 kHz，-20 dB帶寬設定在1 MHz，以限制射頻信號的占用頻帶。

藍牙設備之間的通信采用時分復用(TDD)技術，即接收器和發送器在不同的時隙交替傳送信息，如：單時隙(DH1)、三時隙(DH3)和五時隙(DH5)等^［1］，時隙公稱長度為625 μs。在很擁擠的頻段上，為了保證可靠地鏈接設備，采用一種載頻受偽隨機序列控制的跳頻模式，最大跳頻速率為1 600跳/s。

藍牙v2.0是對藍牙v1.2進行改進，加入了增強速率(EDR)特性，它不僅具備v1.2的所有功能特性，并且在數據封包的負載部分運用了兩種新的調變模式。它使用移相鍵控(PSK)技術來調變RF載波，使每個符號的位元數增加2~3倍，因此，提供了2 Mb/s和3 Mb/s的最高資料速率。EDR封包1使用π/4-DQPSK調變模式，EDR封包2使用8DPSK調變模式。在發送器中，先通過平方根升余弦濾波器(滾降系數α=0.5)對基帶數據整形，后經過差分編碼在IQ架構中進行PSK調制；在接收器中，先解調還原基帶數據，后用平方根升余弦濾波器整形，實現了π/4-DQPSK和8DPSK兩種調變模式；其結果-20 dB信道帶寬達1.5 MHz，比GFSK調變模式稍大。

3 基帶數據速率封包

3.1 藍牙基本速率封包

藍牙v1.2基帶數據封包中包含了存取碼、標頭、保護時段(guard band)和負載(payload)，如圖1所示。基本速率調變指的是GFSK，數據會以每個符號攜帶一個位元的方式，在1 Mb/s的資料速率下進行傳輸，因此符號速率為1 Ms/s。資料會利用最小115 kHz的載波頻率中的位移或偏差，在RF載波上調變。高斯脈沖波形將-20 dB的頻寬維持1 MHz，頻譜利用率比BFSK高一倍。

3.2 藍牙增強速率封包

藍牙v2.0 EDR封包先在存取碼和標頭的部分使用GFSK調變模式，但是，在保護時間5 μs之后，負載部分則用π/4-DQPSK或8DPSK調變模式，如圖2所示。在保持指定的1 Ms/s符號速率前提下，增強速率分別提升資料速率到2 Mb/s或3 Mb/s，即每個符號發射二到三位碼元。通過測試發現結果，在封包的GFSK調變部分振幅顯得相當固定，但在DPSK調變波形中振幅卻有較大的波動。

4 數字調變模式

在藍牙射頻部分中，調變模式是關鍵性技術，直接決定通信系統的性能優劣。藍牙v2.0采用兩種新型的數字調變模式，大大地提升了藍牙通信系統的質量。

4.1 π/4-DQPSK和8DPSK的星座圖

針對2 Mb/s傳輸速率而定義的第一種EDR調變模式為π/4旋轉差分編碼四相移相鍵控(π/4-DQPSK)。將圖3左邊星狀圖看成是兩個彼此偏移45°的QPSK星狀圖的疊放，即相當于A、B方式^［2］。每個符號時間的符號相位，是從兩個QPSK星狀圖中交替選擇而來，因此，后續符號的相位差是±π/4和±3π/4四個角度中的一個。星狀圖的4個資料點造就了每個符號攜帶二個位元的傳輸速率，即它的資料速率是GFSK調變模式的兩倍。

針對3 Mb/s傳輸而定義的第二種EDR調變模式為8相差分編碼移相鍵控(8DPSK)，它提高資料速率的關鍵在于為每個符號增加4個星狀圖資料點，全部8個星狀圖資料點可達到每個符號發射三個位元的傳輸速率，即資料速率是GFSK調變模式的三倍。如圖3右邊所示，A方式8DPSK。這種調變的優點是能用非相干解調模式，缺點是星狀圖資料點間的距離較小對雜訊有較高的靈敏度。

4.2 頻帶利用率

頻譜效率ηB又稱頻帶利用率，用來衡量通信系統的有效性。它定義為單位帶寬傳輸頻道上每秒可傳輸的比特數，單位是 b/s/Hz。對于發送與接收系統的濾波器頻帶，取傳輸信道(含發送、接收濾波器)帶寬，即-20 dB帶寬。若傳輸信道的帶寬為B，數據傳輸率為R。則：ηB=R/B(b/s/Hz) 利用平方根升余弦(root-raised cosine)脈沖來提高頻帶利用率，是把升余弦濾波器分別放置在收發兩端，即將接收濾波器和發送濾波器設計(匹配)為平方根升余弦函數(升余弦函數的平方根)。若不考慮由信道引起的碼間串擾，兩個平方根升余弦函數相乘就得到升余弦形式的合成的系統傳輸函數(滾降系數α=0.5)。此時頻帶利用率：ηB=11+αlog2 M(b/s/Hz)。

根據頻帶利用率的定義，將三種調變模式的ηB值計算在表1中。結果表明：采用多進制數字調變模式，雖然提高了頻帶利用率，卻要犧牲信道帶寬和信噪比等。

5 藍牙信號實時頻譜測試

藍牙信號實質上是一種數字射頻信號，其主要特征不僅表現為占用一定的頻帶，而且更重要的屬性是對頻率的時間控制(有時是微秒、有時是數秒、數分甚至更長)。由于傳統測試儀器無法描述信號頻率隨時間的變化特征，因此產生了能夠通過觸發、捕獲和分析來反映當前信號這種本質特征的第三代無線信號分析儀——實時頻譜分析儀。

表1 三種調變模式的頻帶利用率

藍牙版本調變模式傳輸速率

/Mb/s信道帶寬

/MHz頻帶利用率

/b/s/Hzv1.2GFSK111v2.0π/4-DQPSK21.54/3v2.08DPSK31.52

5.1 實時頻譜儀

隨著數字射頻技術的發展，要求必須能捕獲并存儲一段時間的信號，并可反復回放，分析信號隨時間的變化。另外，隨著頻譜利用率不斷提高，干擾將來自更臨近的頻點，甚至同一頻率，這要求頻譜測試技術在發現和捕獲能力上實現本質性的突破。實時頻譜儀的核心是基于快速傅里葉(FFT)的儀表，可以實時捕獲各種瞬態信號，同時在時域、頻域及調制域對信號進行全面分析，滿足現代數字射頻信號測試的需求，圖4所示為簡化的實時頻譜儀結構圖。

圖4 實時頻譜儀結構使用實時頻譜儀實時采集無縫捕獲信號時，三個條件(樣點、幀和塊)描述了存儲的數據層級。時域采集的信號通過FFT變換轉變到頻域，當處理速度足夠快時就可以做到實時處理。數據層級的最低層是樣點，它代表著離散的時域數據點。幀由整數個連續樣點組成，是可以應用快速傅里葉變換把時域數據轉換到頻域中的基本單位。在這一過程中，每個幀產生一個頻域頻譜。采集層級的最高層是塊，它由不同時間內無縫捕獲的許多相鄰幀組成，如圖5所示。塊長度(也稱為采集長度)是一個連續采集表示的總時間。對塊內部的所有幀，每個采集在時間上都是無縫的，但在塊之間不是無縫的。

在實時頻譜儀實時測量模式下，它無縫捕獲每個塊并存儲在內存中。然后它使用DSP技術進行后期處理，分析信號的頻率、時間和調制特點。顯然，快速傅里葉變換是實時頻譜分析儀的核心，可以認為這是一種新型的、快速掃描的頻譜儀。

圖5 樣點、幀和塊結構5.2 藍牙跳頻信號測量

用實時頻譜儀測試藍牙跳頻信號時，無需激活測試模式和輸入各類有效載荷數據；在運行藍牙系統中，直接進行射頻性能指標和一致性等測試，提升了藍牙系統測試與認證的水平，提高了測試工作效率。

5.2.1 跳頻信號的功率測量

當其他條件一定時，接收機靈敏度一致時，通信距離與接收的功率就有對應的關系；在跳頻情況下，每一跳的功率是否一致將直接影響每一跳的通信距離是否一致，需要對跳頻情況下測量每個跳頻點功率的一致性。由于實時頻譜儀具有實時捕獲和信號回放的功能，同時可以對捕獲的信號進行逐點的射頻性能測量，可以滿足對每一個跳頻點功率測量的需要。

5.2.2 跳頻圖案的測量

在跳頻情況下，跳頻圖案是否按照設計的跳頻圖案進行偽隨機跳變，將直接影響到跳頻系統的抗干擾性能和整個設計是否成功，所以需要對跳頻圖案進行測試驗證。實時頻譜儀的三維頻譜圖(時間、頻率和幅度)是觀測跳頻圖案的一種非常有效的方式，如圖6所示。由于頻率模板觸圖發功能的使用，可以使得工程師直接設定跳頻的起始點來捕獲跳頻信號觀測跳頻圖案，這樣就可以找到特定頻率位置的跳頻圖案。而對于傳統儀器只能隨機捕獲，很可能無法捕獲到關心的跳頻點位置的跳頻圖案。

圖6 頻率模板和跳頻圖案5.2.3 跳頻速率的測量

跳頻速率的測量，使用實時頻譜儀中調制域窗口或者三維頻譜圖進行測量。用調制域窗口進行測量，其橫軸為時間，縱軸為頻率；頻率跳變的點很清楚，用光標測量時只要添加兩個光標點就可以測出跳頻速率。

綜上所述，實時頻譜儀旨在迎接動態數字射頻信號的相關測量挑戰，如WLAN和藍牙等突發分組傳輸。實時頻譜分析的基本概念是其能夠觸發RF信號，把時間同步的數據無縫捕獲到內存中，然后在多個域中分析這些信號，進而可靠地檢測和檢定隨時間變化的數字射頻信號。

6 結 語

藍牙v1.2和v2.0采用復雜的數字射頻信號，可以用通信系統仿真軟件進一步了解其工作原理。使用實時頻譜儀可以大大提升跳頻信號的測試水平，填補過去測試手段無法測量項目的空白，如：跳頻信號的功率測量等。據了解，美國國家儀器有限公司正在考慮研發虛擬實時頻譜儀。實時頻譜儀還能應用于RFID電子標簽、W-CDMA和Zigbee等系統的測試領域，為數字射頻工程師提供了一個嶄新的、完全的和高效的測試方案。

參 考 文 獻

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作者簡介 都伊林 男，1961年出生，高級實驗師。長期從事電子線路教學與研究工作。

馬 強 男，1962年出生，副教授。主要研究方向為數字水印和圖像處理。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文