中心議題：

• 探討藍(lán)牙射頻調(diào)變模式與測(cè)量
• 了解藍(lán)牙信號(hào)實(shí)時(shí)頻譜測(cè)試

解決方案：

• 可以用通信系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)一步了解其工作原理
• 使用實(shí)時(shí)頻譜儀可以大大提升跳頻信號(hào)的測(cè)試水平

1 引 言

藍(lán)牙是一種無(wú)線個(gè)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。藍(lán)牙1.2版(標(biāo)準(zhǔn)速率)當(dāng)前提供 721 kb／s的最大數(shù)據(jù)傳輸率，理論值為1 Mb／s。藍(lán)牙2.0版(增強(qiáng)速率EDR)的是藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)的演進(jìn)，提供的最大實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸率為2.1 Mb／s，理論值為3 Mb／s。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(shí)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(jì)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(hào)處理轉(zhuǎn)向數(shù)字信號(hào)處理。

在研發(fā)藍(lán)牙應(yīng)用產(chǎn)品的過(guò)程中，射頻部分是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其性能的好壞決定了藍(lán)牙無(wú)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(shí)時(shí)頻譜儀測(cè)量藍(lán)牙跳頻信號(hào)的方法。

2 藍(lán)牙系統(tǒng)簡(jiǎn)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(gè)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(shí)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(guò)高斯脈沖濾波器對(duì)基帶數(shù)據(jù)整形，然后在壓控振蕩器(VCO)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的FSK直接調(diào)制，實(shí)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(hào)的占用頻帶。

藍(lán)牙設(shè)備之間的通信采用時(shí)分復(fù)用(TDD)技術(shù)，即接收器和發(fā)送器在不同的時(shí)隙交替?zhèn)魉托畔?，如：?jiǎn)螘r(shí)隙(DH1)、三時(shí)隙(DH3)和五時(shí)隙 (DH5)等，時(shí)隙公稱長(zhǎng)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(duì)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(lái)調(diào)變RF載波，使每個(gè)符號(hào)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(guò)平方根升余弦濾波器(滾降系數(shù)α=0.5)對(duì)基帶數(shù)據(jù)整形，后經(jīng)過(guò)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(shí)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(shí)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(huì)以每個(gè)符號(hào)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(hào)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(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。
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(shí)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(hào)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(gè)符號(hào)發(fā)射二到三位碼元。通過(guò)測(cè)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(dòng)。
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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(duì)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(gè)彼此偏移45°的 QPSK星狀圖的疊放，即相當(dāng)于A、B方式。每個(gè)符號(hào)時(shí)間的符號(hào)相位，是從兩個(gè)QPSK星狀圖中交替選擇而來(lái)，因此，后續(xù)符號(hào)的相位差是±π／4 和±3π／4四個(gè)角度中的一個(gè)。星狀圖的4個(gè)資料點(diǎn)造就了每個(gè)符號(hào)攜帶二個(gè)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(duì)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(gè)符號(hào)增加4個(gè)星狀圖資料點(diǎn)，全部8個(gè)星狀圖資料點(diǎn)可達(dá)到每個(gè)符號(hào)發(fā)射三個(gè)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(diǎn)是能用非相干解調(diào)模式，缺點(diǎn)是星狀圖資料點(diǎn)間的距離較小對(duì)雜訊有較高的靈敏度。
4.2 頻帶利用率

頻譜效率ηB又稱頻帶利用率，用來(lái)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(cái)?shù)，單位是b／s／Hz。對(duì)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：
利用平方根升余弦(root-raised cosine)脈沖來(lái)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(jì)(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(gè)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(shí)頻帶利用率：。
根據(jù)頻帶利用率的定義，將三種調(diào)變模式的ηB值計(jì)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。

5 藍(lán)牙信號(hào)實(shí)時(shí)頻譜測(cè)試

藍(lán)牙信號(hào)實(shí)質(zhì)上是一種數(shù)字射頻信號(hào)，其主要特征不僅表現(xiàn)為占用一定的頻帶，而且更重要的屬性是對(duì)頻率的時(shí)間控制(有時(shí)是微秒、有時(shí)是數(shù)秒、數(shù)分甚至更長(zhǎng))。由于傳統(tǒng)測(cè)試儀器無(wú)法描述信號(hào)頻率隨時(shí)間的變化特征，因此產(chǎn)生了能夠通過(guò)觸發(fā)、捕獲和分析來(lái)反映當(dāng)前信號(hào)這種本質(zhì)特征的第三代無(wú)線信號(hào)分析儀—— 實(shí)時(shí)頻譜分析儀。
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5.1 實(shí)時(shí)頻譜儀

隨著數(shù)字射頻技術(shù)的發(fā)展，要求必須能捕獲并存儲(chǔ)一段時(shí)間的信號(hào)，并可反復(fù)回放，分析信號(hào)隨時(shí)間的變化。另外，隨著頻譜利用率不斷提高，干擾將來(lái)自更臨近的頻點(diǎn)，甚至同一頻率，這要求頻譜測(cè)試技術(shù)在發(fā)現(xiàn)和捕獲能力上實(shí)現(xiàn)本質(zhì)性的突破。實(shí)時(shí)頻譜儀的核心是基于快速傅里葉(FFT)的儀表，可以實(shí)時(shí)捕獲各種瞬態(tài)信號(hào)，同時(shí)在時(shí)域、頻域及調(diào)制域?qū)π盘?hào)進(jìn)行全面分析，滿足現(xiàn)代數(shù)字射頻信號(hào)測(cè)試的需求，圖4所示為簡(jiǎn)化的實(shí)時(shí)頻譜儀結(jié)構(gòu)圖。
使用實(shí)時(shí)頻譜儀實(shí)時(shí)采集無(wú)縫捕獲信號(hào)時(shí)，三個(gè)條件(樣點(diǎn)、幀和塊)描述了存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)層級(jí)。時(shí)域采集的信號(hào)通過(guò)FFT變換轉(zhuǎn)變到頻域，當(dāng)處理速度足夠快時(shí)就可以做到實(shí)時(shí)處理。數(shù)據(jù)層級(jí)的最低層是樣點(diǎn)，它代表著離散的時(shí)域數(shù)據(jù)點(diǎn)。幀由整數(shù)個(gè)連續(xù)樣點(diǎn)組成，是可以應(yīng)用快速傅里葉變換把時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到頻域中的基本單位。在這一過(guò)程中，每個(gè)幀產(chǎn)生一個(gè)頻域頻譜。采集層級(jí)的最高層是塊，它由不同時(shí)間內(nèi)無(wú)縫捕獲的許多相鄰幀組成，如圖5所示。塊長(zhǎng)度(也稱為采集長(zhǎng)度)是一個(gè)連續(xù)采集表示的總時(shí)間。對(duì)塊內(nèi)部的所有幀，每個(gè)采集在時(shí)間上都是無(wú)縫的，但在塊之間不是無(wú)縫的。

在實(shí)時(shí)頻譜儀實(shí)時(shí)測(cè)量模式下，它無(wú)縫捕獲每個(gè)塊并存儲(chǔ)在內(nèi)存中。然后它使用DSP技術(shù)進(jìn)行后期處理，分析信號(hào)的頻率、時(shí)間和調(diào)制特點(diǎn)。顯然，快速傅里葉變換是實(shí)時(shí)頻譜分析儀的核心，可以認(rèn)為這是一種新型的、快速掃描的頻譜儀。
5.2 藍(lán)牙跳頻信號(hào)測(cè)量

用實(shí)時(shí)頻譜儀測(cè)試藍(lán)牙跳頻信號(hào)時(shí)，無(wú)需激活測(cè)試模式和輸入各類有效載荷數(shù)據(jù)；在運(yùn)行藍(lán)牙系統(tǒng)中，直接進(jìn)行射頻性能指標(biāo)和一致性等測(cè)試，提升了藍(lán)牙系統(tǒng)測(cè)試與認(rèn)證的水平，提高了測(cè)試工作效率。
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5.2.1 跳頻信號(hào)的功率測(cè)量

當(dāng)其他條件一定時(shí)，接收機(jī)靈敏度一致時(shí)，通信距離與接收的功率就有對(duì)應(yīng)的關(guān)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(duì)跳頻情況下測(cè)量每個(gè)跳頻點(diǎn)功率的一致性。由于實(shí)時(shí)頻譜儀具有實(shí)時(shí)捕獲和信號(hào)回放的功能，同時(shí)可以對(duì)捕獲的信號(hào)進(jìn)行逐點(diǎn)的射頻性能測(cè)量，可以滿足對(duì)每一個(gè)跳頻點(diǎn)功率測(cè)量的需要。

5.2.2 跳頻圖案的測(cè)量

在跳頻情況下，跳頻圖案是否按照設(shè)計(jì)的跳頻圖案進(jìn)行偽隨機(jī)跳變，將直接影響到跳頻系統(tǒng)的抗干擾性能和整個(gè)設(shè)計(jì)是否成功，所以需要對(duì)跳頻圖案進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。實(shí)時(shí)頻譜儀的三維頻譜圖(時(shí)間、頻率和幅度)是觀測(cè)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(fā)功能的使用，可以使得工程師直接設(shè)定跳頻的起始點(diǎn)來(lái)捕獲跳頻信號(hào)觀測(cè)跳頻圖案，這樣就可以找到特定頻率位置的跳頻圖案。而對(duì)于傳統(tǒng)儀器只能隨機(jī)捕獲，很可能無(wú)法捕獲到關(guān)心的跳頻點(diǎn)位置的跳頻圖案。
5.2.3 跳頻速率的測(cè)量

跳頻速率的測(cè)量，使用實(shí)時(shí)頻譜儀中調(diào)制域窗口或者三維頻譜圖進(jìn)行測(cè)量。用調(diào)制域窗口進(jìn)行測(cè)量，其橫軸為時(shí)間，縱軸為頻率；頻率跳變的點(diǎn)很清楚，用光標(biāo)測(cè)量時(shí)只要添加兩個(gè)光標(biāo)點(diǎn)就可以測(cè)出跳頻速率。

綜上所述，實(shí)時(shí)頻譜儀旨在迎接動(dòng)態(tài)數(shù)字射頻信號(hào)的相關(guān)測(cè)量挑戰(zhàn)，如WLAN和藍(lán)牙等突發(fā)分組傳輸。實(shí)時(shí)頻譜分析的基本概念是其能夠觸發(fā)RF信號(hào)，把時(shí)間同步的數(shù)據(jù)無(wú)縫捕獲到內(nèi)存中，然后在多個(gè)域中分析這些信號(hào)，進(jìn)而可靠地檢測(cè)和檢定隨時(shí)間變化的數(shù)字射頻信號(hào)。

6 結(jié)語(yǔ)

藍(lán)牙v1.2和v2.0采用復(fù)雜的數(shù)字射頻信號(hào)，可以用通信系統(tǒng)仿真軟件進(jìn)一步了解其工作原理。使用實(shí)時(shí)頻譜儀可以大大提升跳頻信號(hào)的測(cè)試水平，填補(bǔ)過(guò)去測(cè)試手段無(wú)法測(cè)量項(xiàng)目的空白，如：跳頻信號(hào)的功率測(cè)量等。據(jù)了解，美國(guó)國(guó)家儀器有限公司正在考慮研發(fā)虛擬實(shí)時(shí)頻譜儀。實(shí)時(shí)頻譜儀還能應(yīng)用于RFID 電子標(biāo)簽、W-CDMA和Zigbee等系統(tǒng)的測(cè)試領(lǐng)域，為數(shù)字射頻工程師提供了一個(gè)嶄新的、完全的和高效的測(cè)試方案。