藍牙射頻調變模式與測量

1 引 言

藍牙是一種無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )(WPAN)技術(shù)，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(wú)線(xiàn)技術(shù)的演進(jìn)，提供的最大實(shí)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(shí)現較高數據傳輸率，藍牙收發(fā)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(fā)藍牙應用產(chǎn)品的過(guò)程中，射頻部分是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節，其性能的好壞決定了藍牙無(wú)線(xiàn)通信質(zhì)量的優(yōu)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(shí)時(shí)頻譜儀測量藍牙跳頻信號的方法。

2 藍牙系統簡(jiǎn)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(gè)信道上運行，信道帶寬1 MHz，采用了跳頻擴頻技術(shù)(FHSS)。藍牙v1.2系統使用稱(chēng)為0.5BT高斯頻移鍵控(GFSK)的數字頻率調變模式實(shí)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(fā)送器中，先通過(guò)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(jìn)行簡(jiǎn)單的FSK直接調制，實(shí)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(shí)分復用(TDD)技術(shù)，即接收器和發(fā)送器在不同的時(shí)隙交替傳送信息，如：?jiǎn)螘r(shí)隙(DH1)、三時(shí)隙(DH3)和五時(shí)隙(DH5)等，時(shí)隙公稱(chēng)長(cháng)度為625μs。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(jìn)行改進(jìn)，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(shù)來(lái)調變RF載波，使每個(gè)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(fā)送器中，先通過(guò)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(jīng)過(guò)差分編碼在I＆Q架構中進(jìn)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(shí)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(shí)段(guard band)和負載(payload)，如圖1所示?；舅俾收{變指的是GFSK，數據會(huì )以每個(gè)符號攜帶一個(gè)位元的方式，在1 Mb／s的資料速率下進(jìn)行傳輸，因此符號速率為1 Ms／s。資料會(huì )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(shí)間5μs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(gè)符號發(fā)射二到三位碼元。通過(guò)測試發(fā)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(dòng)。

4 數字調變模式

在藍牙射頻部分中，調變模式是關(guān)鍵性技術(shù)，直接決定通信系統的性能優(yōu)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(zhì)量。