藍(lán)牙射頻調(diào)變模式與測量

1 引 言

藍(lán)牙是一種無線個(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IQ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(gè)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(shí)時(shí)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(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(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：單時(shí)隙(DH1)、三時(shí)隙(DH3)和五時(shí)隙(DH5)等，時(shí)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(gè)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(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(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(dòng)。

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。