蓝牙射频调变模式与测量介绍详解

　　1 引 言
　　蓝牙是一种无线个人区域网络(WPAN)技术，IEEE将其作为802.15.1，它具有非常广阔的应用前景。由于蓝牙EDR用移相键控(PSK)调变模式替代标准速率的高斯频移键控(GFSK)，实现较高数据传输率，蓝牙收发系统的射频设计也由直接调制VCO架构转向I&Q混合架构，提高了电路集成度，从模拟信号处理转向数字信号处理。在研发蓝牙应用产品的过程中，射频部分是一个关键环节，其性能的好坏决定了蓝牙无线通信质量的优劣。因此，本文主要分析蓝牙标准速率与增强速率的三种调变模式的差异性，以及用实时频谱仪测量蓝牙跳频信号的方法。
　　2 蓝牙系统简述
　　蓝牙系统工作于ISM频段上，通常是在2.402～2.48 GHz之间的79个信道上运行，信道带宽1 MHz，采用了跳频扩频技术(FHSS)。蓝牙v1.2系统使用称为0.5BT高斯频移键控(GFSK)的数字频率调变模式实现彼此间的通信。即将载波向上频移157 kHz代表“1”，向下频移157 kHz代表“0”，基本传输速率为1 Mb/s。在发送器中，先通过高斯脉冲滤波器对基带数据整形，然后在压控振荡器(VCO)上进行简单的FSK直接调制，实现了GFSK调变模式。将数据滤波器的-3 dB带宽设定在500 kHz，-20 dB带宽设定在1 MHz，以限制射频信号的占用频带。
　　蓝牙设备之间的通信采用时分复用(TDD)技术，即接收器和发送器在不同的时隙交替传送信息，如：单时隙(DH1)、三时隙(DH3)和五时隙 (DH5)等，时隙公称长度为625μs。在很拥挤的频段上，为了保证可靠地链接设备，采用一种载频受伪随机序列控制的跳频模式，最大跳频速率为1 600跳/s。
　　蓝牙v2.0是对蓝牙v1.2进行改进，加入了增强速率(EDR)特性，它不仅具备v1.2的所有功能特性，并且在数据封包的负载部分运用了两种新的调变模式。它使用移相键控(PSK)技术来调变RF载波，使每个符号的位元数增加2～3倍，因此，提供了2 Mb/s和3 Mb/s的最高资料速率。EDR封包1使用π/4-DQPSK调变模式，EDR封包2使用8DPSK调变模式。在发送器中，先通过平方根升余弦滤波器(滚降系数α=0.5)对基带数据整形，后经过差分编码在I&Q架构中进行PSK调制;在接收器中，先解调还原基带数据，后用平方根升余弦滤波器整形，实现了 π/4-DQPSK和8DPSK两种调变模式;其结果-20 dB信道带宽达1.5 MHz，比GFSK调变模式稍大。
　　3 基带数据速率封包
　　3.1 蓝牙基本速率封包
　　蓝牙v1.2基带数据封包中包含了存取码、标头、保护时段(guard band)和负载(payload)，如图1所示。基本速率调变指的是GFSK，数据会以每个符号携带一个位元的方式，在1 Mb/s的资料速率下进行传输，因此符号速率为1 Ms/s。资料会利用最小115 kHz的载波频率中的位移或偏差，在RF载波上调变。高斯脉冲波形将-20 dB的频宽维持1 MHz，频谱利用率比BFSK高一倍。
　　3.2 蓝牙增强速率封包
　　蓝牙v2.0 EDR封包先在存取码和标头的部分使用GFSK调变模式，但是，在保护时间5μs之后，负载部分则用π/4-DQPSK或8DPSK调变模式，如图2所示。在保持指定的1 Ms/s符号速率前提下，增强速率分别提升资料速率到2 Mb/s或3 Mb/s，即每个符号发射二到三位码元。通过测试发现结果，在封包的GFSK调变部分振幅显得相当固定，但在DPSK调变波形中振幅却有较大的波动。
　　4 数字调变模式
　　在蓝牙射频部分中，调变模式是关键性技术，直接决定通信系统的性能优劣。蓝牙v2.0采用两种新型的数字调变模式，大大地提升了蓝牙通信系统的质量。
　　4.1 π/4-DQPSK和8DPSK的星座图
　　针对2 Mb/s传输速率而定义的第一种EDR调变模式为π/4旋转差分编码四相移相键控(π/4-DQPSK)。将图3左边星状图看成是两个彼此偏移45°的 QPSK星状图的叠放，即相当于A、B方式。每个符号时间的符号相位，是从两个QPSK星状图中交替选择而来，因此，后续符号的相位差是±π/4 和±3π/4四个角度中的一个。星状图的4个资料点造就了每个符号携带二个位元的传输速率，即它的资料速率是GFSK调变模式的两倍。
　　针对3 Mb/s传输而定义的第二种EDR调变模式为8相差分编码移相键控(8DPSK)，它提高资料速率的关键在于为每个符号增加4个星状图资料点，全部8个星状图资料点可达到每个符号发射三个位元的传输速率，即资料速率是GFSK调变模式的三倍。如图3右边所示，A方式8DPSK。这种调变的优点是能用非相干解调模式，缺点是星状图资料点间的距离较小对杂讯有较高的灵敏度。
　　4.2 频带利用率
　　频谱效率ηB又称频带利用率，用来衡量通信系统的有效性。它定义为单位带宽传输频道上每秒可传输的比特数，单位是b/s/Hz。对于发送与接收系统的滤波器频带，取传输信道(含发送、接收滤波器)带宽，即-20 dB带宽。若传输信道的带宽为B，数据传输率为R。则：
　　利用平方根升余弦(root-raised cosine)脉冲来提高频带利用率，是把升余弦滤波器分别放置在收发两端，即将接收滤波器和发送滤波器设计(匹配)为平方根升余弦函数(升余弦函数的平方根)。若不考虑由信道引起的码间串扰，两个平方根升余弦函数相乘就得到升余弦形式的合成的系统传输函数(滚降系数α=0.5)。此时频带利用率：。
　　根据频带利用率的定义，将三种调变模式的ηB值计算在表1中。结果表明：采用多进制数字调变模式，虽然提高了频带利用率，却要牺牲信道带宽和信噪比等。
　　5 蓝牙信号实时频谱测试
　　蓝牙信号实质上是一种数字射频信号，其主要特征不仅表现为占用一定的频带，而且更重要的属性是对频率的时间控制(有时是微秒、有时是数秒、数分甚至更长)。由于传统测试仪器无法描述信号频率随时间的变化特征，因此产生了能够通过触发、捕获和分析来反映当前信号这种本质特征的第三代无线信号分析仪—— 实时频谱分析仪。
　　5.1 实时频谱仪
　　随着数字射频技术的发展，要求必须能捕获并存储一段时间的信号，并可反复回放，分析信号随时间的变化。另外，随着频谱利用率不断提高，干扰将来自更临近的频点，甚至同一频率，这要求频谱测试技术在发现和捕获能力上实现本质性的突破。实时频谱仪的核心是基于快速傅里叶(FFT)的仪表，可以实时捕获各种瞬态信号，同时在时域、频域及调制域对信号进行全面分析，满足现代数字射频信号测试的需求，图4所示为简化的实时频谱仪结构图。
　　使用实时频谱仪实时采集无缝捕获信号时，三个条件(样点、帧和块)描述了存储的数据层级。时域采集的信号通过FFT变换转变到频域，当处理速度足够快时就可以做到实时处理。数据层级的最低层是样点，它代表着离散的时域数据点。帧由整数个连续样点组成，是可以应用快速傅里叶变换把时域数据转换到频域中的基本单位。在这一过程中，每个帧产生一个频域频谱。采集层级的最高层是块，它由不同时间内无缝捕获的许多相邻帧组成，如图5所示。块长度(也称为采集长度)是一个连续采集表示的总时间。对块内部的所有帧，每个采集在时间上都是无缝的，但在块之间不是无缝的。
　　在实时频谱仪实时测量模式下，它无缝捕获每个块并存储在内存中。然后它使用DSP技术进行后期处理，分析信号的频率、时间和调制特点。显然，快速傅里叶变换是实时频谱分析仪的核心，可以认为这是一种新型的、快速扫描的频谱仪。
　　5.2 蓝牙跳频信号测量
　　用实时频谱仪测试蓝牙跳频信号时，无需激活测试模式和输入各类有效载荷数据;在运行蓝牙系统中，直接进行射频性能指标和一致性等测试，提升了蓝牙系统测试与认证的水平，提高了测试工作效率。
　　5.2.1 跳频信号的功率测量
　　当其他条件一定时，接收机灵敏度一致时，通信距离与接收的功率就有对应的关系;在跳频情况下，每一跳的功率是否一致将直接影响每一跳的通信距离是否一致，需要对跳频情况下测量每个跳频点功率的一致性。由于实时频谱仪具有实时捕获和信号回放的功能，同时可以对捕获的信号进行逐点的射频性能测量，可以满足对每一个跳频点功率测量的需要。
　　5.2.2 跳频图案的测量
　　在跳频情况下，跳频图案是否按照设计的跳频图案进行伪随机跳变，将直接影响到跳频系统的抗干扰性能和整个设计是否成功，所以需要对跳频图案进行测试验证。实时频谱仪的三维频谱图(时间、频率和幅度)是观测跳频图案的一种非常有效的方式，如图6所示。由于频率模板触图发功能的使用，可以使得工程师直接设定跳频的起始点来捕获跳频信号观测跳频图案，这样就可以找到特定频率位置的跳频图案。而对于传统仪器只能随机捕获，很可能无法捕获到关心的跳频点位置的跳频图案。
　　5.2.3 跳频速率的测量
　　跳频速率的测量，使用实时频谱仪中调制域窗口或者三维频谱图进行测量。用调制域窗口进行测量，其横轴为时间，纵轴为频率;频率跳变的点很清楚，用光标测量时只要添加两个光标点就可以测出跳频速率。
　　综上所述，实时频谱仪旨在迎接动态数字射频信号的相关测量挑战，如WLAN和蓝牙等突发分组传输。实时频谱分析的基本概念是其能够触发RF信号，把时间同步的数据无缝捕获到内存中，然后在多个域中分析这些信号，进而可靠地检测和检定随时间变化的数字射频信号。
　　6 结语
　　蓝牙v1.2和v2.0采用复杂的数字射频信号，可以用通信系统仿真软件进一步了解其工作原理。使用实时频谱仪可以大大提升跳频信号的测试水平，填补过去测试手段无法测量项目的空白，如：跳频信号的功率测量等。据了解，美国国家仪器有限公司正在考虑研发虚拟实时频谱仪。实时频谱仪还能应用于RFID 电子标签、W-CDMA和Zigbee等系统的测试领域，为数字射频工程师提供了一个崭新的、完全的和高效的测试方案。