藍(lán)牙射頻調(diào)變模式與測量

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　　1 引 言

　　藍(lán)牙是一種無線個人區(qū)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(yīng)用前景。由于藍(lán)牙EDR用移相鍵控(PSK)調(diào)變模式替代標(biāo)準(zhǔn)速率的高斯頻移鍵控(GFSK)，實現(xiàn)較高數(shù)據(jù)傳輸率，藍(lán)牙收發(fā)系統(tǒng)的射頻設(shè)計也由直接調(diào)制VCO架構(gòu)轉(zhuǎn)向I&Q混合架構(gòu)，提高了電路集成度，從模擬信號處理轉(zhuǎn)向數(shù)字信號處理。在研發(fā)藍(lán)牙應(yīng)用產(chǎn)品的過程中，射頻部分是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其性能的好壞決定了藍(lán)牙無線通信質(zhì)量的優(yōu)劣。因此，本文主要分析藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)速率與增強(qiáng)速率的三種調(diào)變模式的差異性，以及用實時頻譜儀測量藍(lán)牙跳頻信號的方法。

　　2 藍(lán)牙系統(tǒng)簡述

　　藍(lán)牙系統(tǒng)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(yùn)行，信道帶寬1 MHz，采用了跳頻擴(kuò)頻技術(shù)(FHSS)。藍(lán)牙v1.2系統(tǒng)使用稱為0.5BT高斯頻移鍵控(GFSK)的數(shù)字頻率調(diào)變模式實現(xiàn)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，先通過高斯脈沖濾波器對基帶數(shù)據(jù)整形，然后在壓控振蕩器(VCO)上進(jìn)行簡單的FSK直接調(diào)制，實現(xiàn)了GFSK調(diào)變模式。將數(shù)據(jù)濾波器的-3 dB帶寬設(shè)定在500 kHz，-20 dB帶寬設(shè)定在1 MHz，以限制射頻信號的占用頻帶。

　　藍(lán)牙設(shè)備之間的通信采用時分復(fù)用(TDD)技術(shù)，即接收器和發(fā)送器在不同的時隙交替?zhèn)魉?a target="_blank">信息，如：單時隙(DH1)、三時隙(DH3)和五時隙 (DH5)等，時隙公稱長度為625μs。在很擁擠的頻段上，為了保證可靠地鏈接設(shè)備，采用一種載頻受偽隨機(jī)序列控制的跳頻模式，最大跳頻速率為1 600跳/s。

　　藍(lán)牙v2.0是對藍(lán)牙v1.2進(jìn)行改進(jìn)，加入了增強(qiáng)速率(EDR)特性，它不僅具備v1.2的所有功能特性，并且在數(shù)據(jù)封包的負(fù)載部分運(yùn)用了兩種新的調(diào)變模式。它使用移相鍵控(PSK)技術(shù)來調(diào)變RF載波，使每個符號的位元數(shù)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(diào)變模式，EDR封包2使用8DPSK調(diào)變模式。在發(fā)送器中，先通過平方根升余弦濾波器(滾降系數(shù)α=0.5)對基帶數(shù)據(jù)整形，后經(jīng)過差分編碼在I&Q架構(gòu)中進(jìn)行PSK調(diào)制;在接收器中，先解調(diào)還原基帶數(shù)據(jù)，后用平方根升余弦濾波器整形，實現(xiàn)了 π/4-DQPSK和8DPSK兩種調(diào)變模式;其結(jié)果-20 dB信道帶寬達(dá)1.5 MHz，比GFSK調(diào)變模式稍大。

　　3 基帶數(shù)據(jù)速率封包

　　3.1 藍(lán)牙基本速率封包

　　藍(lán)牙v1.2基帶數(shù)據(jù)封包中包含了存取碼、標(biāo)頭、保護(hù)時段(guard band)和負(fù)載(payload)，如圖1所示。基本速率調(diào)變指的是GFSK，數(shù)據(jù)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(jìn)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(diào)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。

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　　3.2 藍(lán)牙增強(qiáng)速率封包

　　藍(lán)牙v2.0 EDR封包先在存取碼和標(biāo)頭的部分使用GFSK調(diào)變模式，但是，在保護(hù)時間5μs之后，負(fù)載部分則用π/4-DQPSK或8DPSK調(diào)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(qiáng)速率分別提升資料速率到2 Mb/s或3 Mb/s，即每個符號發(fā)射二到三位碼元。通過測試發(fā)現(xiàn)結(jié)果，在封包的GFSK調(diào)變部分振幅顯得相當(dāng)固定，但在DPSK調(diào)變波形中振幅卻有較大的波動。

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　　4 數(shù)字調(diào)變模式

　　在藍(lán)牙射頻部分中，調(diào)變模式是關(guān)鍵性技術(shù)，直接決定通信系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。藍(lán)牙v2.0采用兩種新型的數(shù)字調(diào)變模式，大大地提升了藍(lán)牙通信系統(tǒng)的質(zhì)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(diào)變模式為π/4旋轉(zhuǎn)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(dāng)于A、B方式。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(xù)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(diào)變模式的兩倍。

　　針對3 Mb/s傳輸而定義的第二種EDR調(diào)變模式為8相差分編碼移相鍵控(8DPSK)，它提高資料速率的關(guān)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(dá)到每個符號發(fā)射三個位元的傳輸速率，即資料速率是GFSK調(diào)變模式的三倍。如圖3右邊所示，A方式8DPSK。這種調(diào)變的優(yōu)點是能用非相干解調(diào)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。

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　　4.2 頻帶利用率

　　頻譜效率ηB又稱頻帶利用率，用來衡量通信系統(tǒng)的有效性。它定義為單位帶寬傳輸頻道上每秒可傳輸?shù)谋忍財?shù)，單位是b/s/Hz。對于發(fā)送與接收系統(tǒng)的濾波器頻帶，取傳輸信道(含發(fā)送、接收濾波器)帶寬，即-20 dB帶寬。若傳輸信道的帶寬為B，數(shù)據(jù)傳輸率為R。則：

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　　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(fā)兩端，即將接收濾波器和發(fā)送濾波器設(shè)計(匹配)為平方根升余弦函數(shù)(升余弦函數(shù)的平方根)。若不考慮由信道引起的碼間串?dāng)_，兩個平方根升余弦函數(shù)相乘就得到升余弦形式的合成的系統(tǒng)傳輸函數(shù)(滾降系數(shù)α=0.5)。此時頻帶利用率：。

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　　根據(jù)頻帶利用率的定義，將三種調(diào)變模式的ηB值計算在表1中。結(jié)果表明：采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)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。