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　　1 引 言

　　藍牙是一種無線個人區域網絡(WPAN)技術，IEEE將其作為802.15.1，它具有非常廣闊的應用前景。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)，實現較高數據傳輸率，藍牙收發系統的射頻設計也由直接調制VCO架構轉向I&Q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。在研發藍牙應用產品的過程中，射頻部分是一個關鍵環節，其性能的好壞決定了藍牙無線通信質量的優劣。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，以及用實時頻譜儀測量藍牙跳頻信號的方法。

　　2 藍牙系統簡述

　　藍牙系統工作于ISM頻段上，通常是在2.402～2.48 GHz之間的79個信道上運行，信道帶寬1 MHz，采用了跳頻擴頻技術(FHSS)。藍牙v1.2系統使用稱為0.5BT高斯頻移鍵控(GFSK)的數字頻率調變模式實現彼此間的通信。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。在發送器中，先通過高斯脈沖濾波器對基帶數據整形，然后在壓控振蕩器(VCO)上進行簡單的FSK直接調制，實現了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分復用(TDD)技術，即接收器和發送器在不同的時隙交替傳送信息，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進行改進，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)技術來調變RF載波，使每個符號的位元數增加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。在發送器中，先通過平方根升余弦濾波器(滾降系數α=0.5)對基帶數據整形，后經過差分編碼在I&Q架構中進行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、保護時段(guard band)和負載(payload)，如圖1所示。基本速率調變指的是GFSK，數據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，即每個符號發射二到三位碼元。通過測試發現結果，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。

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　　4 數字調變模式

　　在藍牙射頻部分中，調變模式是關鍵性技術，直接決定通信系統的性能優劣。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調變模式為π/4旋轉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調變模式的兩倍。

　　針對3 Mb/s傳輸而定義的第二種EDR調變模式為8相差分編碼移相鍵控(8DPSK)，它提高資料速率的關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到每個符號發射三個位元的傳輸速率，即資料速率是GFSK調變模式的三倍。如圖3右邊所示，A方式8DPSK。這種調變的優點是能用非相干解調模式，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，用來衡量通信系統的有效性。它定義為單位帶寬傳輸頻道上每秒可傳輸的比特數，單位是b/s/Hz。對于發送與接收系統的濾波器頻帶，取傳輸信道(含發送、接收濾波器)帶寬，即-20 dB帶寬。若傳輸信道的帶寬為B，數據傳輸率為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兩端，即將接收濾波器和發送濾波器設計(匹配)為平方根升余弦函數(升余弦函數的平方根)。若不考慮由信道引起的碼間串擾，兩個平方根升余弦函數相乘就得到升余弦形式的合成的系統傳輸函數(滾降系數α=0.5)。此時頻帶利用率：。

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　　根據頻帶利用率的定義，將三種調變模式的ηB值計算在表1中。結果表明：采用多進制數字調變模式，雖然提高了頻帶利用率，卻要犧牲信道帶寬和信噪比等。