中心議題：

• 探討藍牙射頻調變模式與測量
• 了解藍牙信號實時頻譜測試

解決方案：

• 可以用通信係統仿真軟件進一步了解其工作原理
• 使用實時頻譜儀可以大大提升跳頻信號的測試水平

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。藍牙1.2版(標準速率)當前提供 721 kb／s的最大數據傳輸率
，理論值為1 Mb／s。藍牙2.0版(增強速率EDR)的是藍牙無線技術的演進，提供的最大實際數據傳輸率為2.1 Mb／s，理論值為3 Mb／s。由於藍牙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，藍牙收發係統的射頻設計也由直接調製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(zai)研(yan)發(fa)藍(lan)牙(ya)應(ying)用(yong)產(chan)品(pin)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)

，射(she)頻(pin)部(bu)分(fen)是(shi)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)環(huan)節(jie)，其(qi)性(xing)能(neng)的(de)好(hao)壞(huai)決(jue)定(ding)了(le)藍(lan)牙(ya)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)質(zhi)量(liang)的(de)優(you)劣(lie)。因(yin)此(ci)，本(ben)文(wen)主(zhu)要(yao)分(fen)析(xi)藍(lan)牙(ya)標(biao)準(zhun)速(su)率(lv)與(yu)增(zeng)強(qiang)速(su)率(lv)的(de)三(san)種(zhong)調(tiao)變(bian)模(mo)式(shi)的(de)差(cha)異(yi)性(xing)，以(yi)及(ji)用(yong)實(shi)時(shi)頻(pin)譜(pu)儀(yi)測(ce)量(liang)藍(lan)牙(ya)跳(tiao)頻(pin)信(xin)號(hao)的(de)方(fang)法(fa)。

2 藍牙係統簡述

藍牙係統工作於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係統使用稱為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，先通過高斯脈衝濾波器對基帶數據整形

，然後在壓控振蕩器(VCO)上進行簡單的FSK直接調製
，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
，以限製射頻信號的占用頻帶。

藍牙設備之間的通信采用時分複用(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製的跳頻模式，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，並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，先通過平方根升餘弦濾波器(滾降係數α=0.5)對基帶數據整形
，後經過差分編碼在I＆Q架構中進行PSK調製；在接收器中

，先解調還原基帶數據
，後用平方根升餘弦濾波器整形
，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。高斯脈衝波形將-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之後，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
，直接決定通信係統的性能優劣。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係統的質量。

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
，即相當於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，後續符號的相位差是±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於為每個符號增加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幹解調模式
，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。
4.2 頻帶利用率

頻譜效率ηB又稱頻帶利用率，用來衡量通信係統的有效性。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。對於發送與接收係統的濾波器頻帶，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：
利用平方根升餘弦(root-raised cosine)脈衝來提高頻帶利用率
，是把升餘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)為平方根升餘弦函數(升餘弦函數的平方根)。若不考慮由信道引起的碼間串擾，兩個平方根升餘弦函數相乘就得到升餘弦形式的合成的係統傳輸函數(滾降係數α=0.5)。此時頻帶利用率：。
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：采用多進製數字調變模式，雖然提高了頻帶利用率，卻要犧牲信道帶寬和信噪比等。

5 藍牙信號實時頻譜測試

藍牙信號實質上是一種數字射頻信號，其主要特征不僅表現為占用一定的頻帶
，而且更重要的屬性是對頻率的時間控製(有時是微秒、有時是數秒、數分甚至更長)。由於傳統測試儀器無法描述信號頻率隨時間的變化特征，因此產生了能夠通過觸發
、捕獲和分析來反映當前信號這種本質特征的第三代無線信號分析儀—— 實時頻譜分析儀。
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5.1 實時頻譜儀

隨sui著zhe數shu字zi射she頻pin技ji術shu的de發fa展zhan，要yao求qiu必bi須xu能neng捕bu獲huo並bing存cun儲chu一yi段duan時shi間jian的de信xin號hao，並bing可ke反fan複fu回hui放fang，分fen析xi信xin號hao隨sui時shi間jian的de變bian化hua。另ling外wai，隨sui著zhe頻pin譜pu利li用yong率lv不bu斷duan提ti高gao，幹gan擾rao將jiang來lai自zi更geng臨lin近jin的de頻pin點dian
，甚shen至zhi同tong一yi頻pin率lv，這zhe要yao求qiu頻pin譜pu測ce試shi技ji術shu在zai發fa現xian和he捕bu獲huo能neng力li上shang實shi現xian本ben質zhi性xing的de突tu破po。實shi時shi頻pin譜pu儀yi的de核he心xin是shi基ji於yu快kuai速su傅fu裏li葉ye(FFT)的儀表
，可以實時捕獲各種瞬態信號，同時在時域、頻域及調製域對信號進行全麵分析，滿足現代數字射頻信號測試的需求，圖4所示為簡化的實時頻譜儀結構圖。
使用實時頻譜儀實時采集無縫捕獲信號時，三個條件(樣點
、幀和塊)描述了存儲的數據層級。時域采集的信號通過FFT變bian換huan轉zhuan變bian到dao頻pin域yu，當dang處chu理li速su度du足zu夠gou快kuai時shi就jiu可ke以yi做zuo到dao實shi時shi處chu理li。數shu據ju層ceng級ji的de最zui低di層ceng是shi樣yang點dian，它ta代dai表biao著zhe離li散san的de時shi域yu數shu據ju點dian。幀zhen由you整zheng數shu個ge連lian續xu樣yang點dian組zu成cheng，是shi可ke以yi應ying用yong快kuai速su傅fu裏li葉ye變bian換huan把ba時shi域yu數shu據ju轉zhuan換huan到dao頻pin域yu中zhong的de基ji本ben單dan位wei。在zai這zhe一yi過guo程cheng中zhong，每mei個ge幀zhen產chan生sheng一yi個ge頻pin域yu頻pin譜pu。采cai集ji層ceng級ji的de最zui高gao層ceng是shi塊kuai，它ta由you不bu同tong時shi間jian內nei無wu縫feng捕bu獲huo的de許xu多duo相xiang鄰lin幀zhen組zu成cheng，如ru圖tu5所示。塊長度(也稱為采集長度)是一個連續采集表示的總時間。對塊內部的所有幀，每個采集在時間上都是無縫的
，但在塊之間不是無縫的。

在實時頻譜儀實時測量模式下，它無縫捕獲每個塊並存儲在內存中。然後它使用DSP技術進行後期處理，分析信號的頻率、時間和調製特點。顯然，快速傅裏葉變換是實時頻譜分析儀的核心
，可以認為這是一種新型的、快速掃描的頻譜儀。
5.2 藍牙跳頻信號測量

用實時頻譜儀測試藍牙跳頻信號時，無需激活測試模式和輸入各類有效載荷數據
；在運行藍牙係統中，直接進行射頻性能指標和一致性等測試，提升了藍牙係統測試與認證的水平，提高了測試工作效率。
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5.2.1 跳頻信號的功率測量

當其他條件一定時，接收機靈敏度一致時，通信距離與接收的功率就有對應的關係；在zai跳tiao頻pin情qing況kuang下xia，每mei一yi跳tiao的de功gong率lv是shi否fou一yi致zhi將jiang直zhi接jie影ying響xiang每mei一yi跳tiao的de通tong信xin距ju離li是shi否fou一yi致zhi
，需xu要yao對dui跳tiao頻pin情qing況kuang下xia測ce量liang每mei個ge跳tiao頻pin點dian功gong率lv的de一yi致zhi性xing。由you於yu實shi時shi頻pin譜pu儀yi具ju有you實shi時shi捕bu獲huo和he信xin號hao回hui放fang的de功gong能neng，同tong時shi可ke以yi對dui捕bu獲huo的de信xin號hao進jin行xing逐zhu點dian的de射she頻pin性xing能neng測ce量liang，可ke以yi滿man足zu對dui每mei一yi個ge跳tiao頻pin點dian功gong率lv測ce量liang的de需xu要yao。

5.2.2 跳頻圖案的測量

在(zai)跳(tiao)頻(pin)情(qing)況(kuang)下(xia)，跳(tiao)頻(pin)圖(tu)案(an)是(shi)否(fou)按(an)照(zhao)設(she)計(ji)的(de)跳(tiao)頻(pin)圖(tu)案(an)進(jin)行(xing)偽(wei)隨(sui)機(ji)跳(tiao)變(bian)
，將(jiang)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)到(dao)跳(tiao)頻(pin)係(xi)統(tong)的(de)抗(kang)幹(gan)擾(rao)性(xing)能(neng)和(he)整(zheng)個(ge)設(she)計(ji)是(shi)否(fou)成(cheng)功(gong)，所(suo)以(yi)需(xu)要(yao)對(dui)跳(tiao)頻(pin)圖(tu)案(an)進(jin)行(xing)測(ce)試(shi)驗(yan)證(zheng)。實(shi)時(shi)頻(pin)譜(pu)儀(yi)的(de)三(san)維(wei)頻(pin)譜(pu)圖(tu)(時間、頻率和幅度)是觀測跳頻圖案的一種非常有效的方式
，如圖6suoshi。youyupinlvmobanchutufagongnengdeshiyong，keyishidegongchengshizhijieshedingtiaopindeqishidianlaibuhuotiaopinxinhaoguancetiaopintuan，zheyangjiukeyizhaodaotedingpinlvweizhidetiaopintuan。erduiyuchuantongyiqizhinengsuijibuhuo

，henkenengwufabuhuodaoguanxindetiaopindianweizhidetiaopintuan。
5.2.3 跳頻速率的測量

跳頻速率的測量，使用實時頻譜儀中調製域窗口或者三維頻譜圖進行測量。用調製域窗口進行測量，其橫軸為時間，縱軸為頻率；頻率跳變的點很清楚，用光標測量時隻要添加兩個光標點就可以測出跳頻速率。

綜上所述，實時頻譜儀旨在迎接動態數字射頻信號的相關測量挑戰，如WLAN和藍牙等突發分組傳輸。實時頻譜分析的基本概念是其能夠觸發RF信號
，把時間同步的數據無縫捕獲到內存中，然後在多個域中分析這些信號
，進而可靠地檢測和檢定隨時間變化的數字射頻信號。

6 結語

藍牙v1.2和v2.0采cai用yong複fu雜za的de數shu字zi射she頻pin信xin號hao，可ke以yi用yong通tong信xin係xi統tong仿fang真zhen軟ruan件jian進jin一yi步bu了le解jie其qi工gong作zuo原yuan理li。使shi用yong實shi時shi頻pin譜pu儀yi可ke以yi大da大da提ti升sheng跳tiao頻pin信xin號hao的de測ce試shi水shui平ping，填tian補bu過guo去qu測ce試shi手shou段duan無wu法fa測ce量liang項xiang目mu的de空kong白bai，如ru：跳頻信號的功率測量等。據了解，美國國家儀器有限公司正在考慮研發虛擬實時頻譜儀。實時頻譜儀還能應用於RFID 電子標簽、W-CDMA和Zigbee等係統的測試領域
，為數字射頻工程師提供了一個嶄新的、完全的和高效的測試方案。