1报价

蓝牙是一种无线个人区域网络(WPAN)技术。IEEE将其定义为802.15.1，具有非常广阔的应用前景。由于蓝牙EDR采用相移键控(PSK)调制方式代替标准速率的高斯频移键控(GFSK)来实现更高的数据传输速率，蓝牙收发器系统的射频设计也从直接调制VCO架构转变为IQ混合架构，提高了电路集成度，从模拟信号处理转变为数字信号处理。在开发蓝牙应用产品的过程中，射频部分是关键环节，其性能决定了蓝牙无线通信的质量。因此，本文主要分析了蓝牙标准速率和增强速率三种调制模式的区别，以及用实时频谱分析仪测量蓝牙跳频信号的方法。

2蓝牙系统介绍

蓝牙系统工作在ISM频段，通常在2.402 ~ 2.48 GHz的79个信道中，信道带宽为1mhz，采用跳频扩频技术(FHSS)。蓝牙v1.2系统使用称为0.5BT高斯频移键控(GFSK)的数字调频模式相互通信。即载波频移向上157 kHz表示“1”，向下157 kHz表示“0”，基本传输速率为1mb /s。在发射机中，基带数据首先通过高斯脉冲滤波器进行整形，然后在压控振荡器(VCO)上进行简单的FSK直接调制以实现GFSK调制模式。数据滤波器的-3 dB带宽设置为500khz， -20 dB带宽设置为1mhz，以限制射频信号占用的频带。

蓝牙设备之间的通信采用时分多路复用(TDD)技术，即接收端和发送端在不同时隙交替传输信息，如单时隙DH1、三时隙DH3和五时隙DH5。时隙标称长度为625s。为了保证拥挤频段内设备的可靠连接，采用了载波频率由伪随机序列控制的跳频方式，最大跳频速率为1 600 hop /s。

蓝牙v2.0是蓝牙v1.2的改进，增加了增强速率(EDR)功能。它不仅具有v1.2的所有特性，而且在数据包的加载部分使用了两种新的调制模式。它使用相移键控(PSK)技术来调制射频载波，将每个符号的位数增加2到3倍，从而提供2 Mb/s和3 Mb/s的最大数据速率。EDR报文1采用/4-DQPSK调制模式，EDR报文2采用8DPSK调制模式。在发射机中，基带数据首先由平方根上升余弦滤波器(下滚系数=0.5)形成，然后通过差分编码对IQ架构进行调制。在接收机中，通过解调恢复基带数据，再用平方根上升余弦滤波器进行整形，实现/4-DQPSK和8DPSK两种调制模式。因此，- 20db信道带宽达到1.5MHz，略大于GFSK调制模式。

3基带数据速率包

3.1蓝牙基本速率报文

蓝牙v1.2基带数据包包含接入码、报头、保护带和有效负载，如1所示。基本速率调制指的是GFSK，其中数据以1mb /s的数据速率以每个符号1位的形式传输，因此符号速率为1ms /s。使用最小115 kHz载波频率的移位或偏差，在RF载波上对数据进行上调。高斯脉冲波形保持1 MHz -20 dB的带宽，频谱利用率是BFSK的2倍。

3.2蓝牙增强速率报文

蓝牙v2.0 EDR报文首先对接入码和报头部分采用GFSK调制模式，但在保护时间为5s后，负载部分采用/4-DQPSK或8DPSK调制模式，如图2所示。在保持指定的符号速率为1ms /s的同时，增强速率将数据速率分别提高到2mb /s或3mb /s，即每个符号发射2到3个比特。结果表明，GFSK调制波形的幅值是相当固定的，而DPSK调制波形的幅值波动较大。

4数字调制方式

调制模式是蓝牙射频中的关键技术，它直接决定着通信系统的性能。蓝牙v2.0采用了两种新的数字调制方式，大大提高了蓝牙通信系统的质量。

4.1 /4-DQPSK和8DPSK星座

为传输速率为2mb /s定义的第一种EDR调制模式是/4旋转差分编码四相移键控(/4-dqpsk)。图3左侧的星图作为两个QPSK星图相互偏移45的叠加，相当于模式A和模式b。从两个QPSK星图中交替选择每个符号时间的符号相位，使后续符号的相位差为/4和3/4四个角度中的一个。星图的四个数据点导致每个符号的传输速率为两位，也就是说，它的数据速率是GFSK调制模式的两倍。

为3mb /s传输定义的第二EDR调制模式是8相差分编码相移键控(8DPSK)。提高数据率的关键是为每个符号增加4个星图数据点。所有8个星图数据点都可以达到每个符号3比特的传输速率，即数据速率是GFSK调制方式的3倍。3模式A为8DPSK，如下图所示。这种调制方式的优点是可以采用非相干解调方式。缺点是星图数据点之间的距离小，对噪声的敏感性高。

4.2频段利用率

频谱效率B，又称频带利用率，用来衡量通信系统的有效性。它被定义为每单位带宽在传输信道上每秒可以传输的比特数，单位为b/s/Hz。对于发送和接收系统的滤波器频带，取发送信道(包括发送和接收滤波器)的带宽，即- 20db带宽。如果传输通道带宽为B，则数据传输速率为r。

利用升根余弦脉冲提高带宽利用率的方法是将余弦滤波器放置在收发频谱的两端，即将接收和发送滤波器设计(匹配)到平方根余弦函数(余弦函数的平方根)。在不考虑信道引起的码间串扰的情况下，将两个平方根函数的上升和余弦乘在一起得到组合系统传输函数(下滚系数=0.5)。此时，频带利用率为。

根据频带利用率的定义，三种调制方式的B值计算如表1所示。结果表明，采用多位数调制方式虽然提高了频带利用率，但牺牲了信道带宽和信噪比。

5. 蓝牙信号实时频谱测试

蓝牙信号本质上是一种数字射频信号。其主要特点不仅是占有一定的频带，更重要的属性是对频率的时间控制(有时是微秒，有时是几秒，有时是几分钟甚至更长)。由于传统的测量仪器无法描述信号频率随时间变化的特征，因此产生了第三代无线信号分析仪——实时频谱分析仪，通过触发、捕获和分析，可以反映当前信号的本质特征。

5.1实时频谱分析仪

随着数字射频技术的发展，要求信号必须捕获并存储一段时间，并能反复回放，以分析信号随时间的变化。此外，随着频谱利用率的不断提高，干扰会来自距离更近的频率点，甚至是相同的频率，这就要求频谱测试技术在检测和采集能力上实现根本性的突破。实时摄谱仪的核心是基于快速傅里叶(FFT)的仪器，它可以实时捕获各种暂态信号，同时在时域、频域和调制域对信号进行综合分析，以满足现代数字射频信号测试的需要。图4为简化后的实时摄谱仪结构。

三个条件(采样点、帧和块)描述了使用实时摄谱仪实时捕获无缝捕获信号时存储数据的层次结构。将采集到的时域信号通过FFT变换转换到频域，在处理速度足够快的情况下可以实现实时处理。数据层次的最底层是样本点，它代表离散的时域数据点。帧由整数连续采样点组成，通过快速傅里叶变换将时域数据转换为频域数据。在这个过程中，每一帧生成一个频域频谱。在获取层次结构的顶部是块，它由在不同时间无缝捕获的许多相邻帧组成，如图5所示。块长度(也称为集合长度)是连续集合表示的总时间。对于块内的所有帧，每次捕获在时间上是无缝的，但块之间不是无缝的。

在实时摄谱仪实时测量模式下，它无缝地捕获每个块并将其存储在内存中。然后利用DSP技术对信号进行后处理，分析信号的频率、时间和调制特性。显然，快速傅里叶变换是实时频谱分析仪的核心，可以认为是一种新型的快速扫描频谱分析仪。

5.2蓝牙跳频信号的测量

使用实时频谱分析仪测试蓝牙跳频信号时，不需要激活测试模式和输入各种载荷数据；在蓝牙系统运行时，直接对射频性能指标和一致性进行测试，提高了蓝牙系统测试和认证的水平，提高了测试效率。

5.2.1跳频信号的功率测量

在其他条件一定且接收机灵敏度一致的情况下，通信距离与接收功率有关。在跳频的情况下，每一跳的功率是否一致直接影响到每一跳的通信距离是否一致。因此，有必要对跳频情况下各跳点的功率一致性进行测量。由于实时频谱分析仪具有实时采集和信号回放的功能，并且可以逐点测量采集信号的射频性能，因此可以满足各跳频点功率测量的需要。

5.2.2跳频模式的测量

在跳频的情况下，跳频图是否按照设计的跳频图进行伪随机跳频，将直接影响到跳频系统的抗干扰性能和整个设计的成功，因此有必要对跳频图进行测试和验证。实时摄谱仪的三维频谱图(时间、频率和幅度)是观察跳频模式的一种非常有效的方法，如图6所示。由于使用了频率模板接触图的功能，工程师可以直接设置跳频的起始点，捕捉跳频信号，观察跳频图，从而找到特定频率位置的跳频图。然而，传统的仪器只能随机捕获，很可能无法捕获跳频点所在位置的跳频方向图。

5.2.3跳频率的测量

利用实时摄谱仪或三维频谱图中的调制域窗测量跳频率。测量采用调制域窗，横轴为时间，纵轴为频率。跳频点非常明确，用游标测量只需加两个游标点即可测量跳频率。

总之，实时光谱仪的设计是为了满足与动态数字RF信号相关的测量挑战，例如WLAN和蓝牙等突发分组传输。实时频谱分析的基本概念是，它可以触发射频信号，将时间同步数据无缝地捕获到存储器中，然后在多个域中分析这些信号，然后可靠地检测和验证随时间变化的数字射频信号。

6结论

蓝牙v1.2和v2.0使用复杂的数字射频信号，可以通过通信系统仿真软件进一步理解。使用实时频谱分析仪可以大大提高跳频信号的测试水平，填补了以往测试手段无法测量的工程空白，如：跳频信号功率测量。据了解，美国国家仪器有限公司正在考虑开发虚拟实时频谱分析仪。实时光谱仪还可应用于RFID电子标签、W-CDMA和Zigbee系统测试领域，为数字射频工程师提供全新、完整、高效的测试解决方案。