本文接上一篇繼續(xù)分享藍(lán)牙的基礎(chǔ)知識(shí)。

六、藍(lán)牙調(diào)制方式

藍(lán)牙由于其速率不高，所以其調(diào)制方式并沒(méi)有像WIFI那樣隨著協(xié)議的升級(jí)而不斷地升級(jí)，從藍(lán)牙1發(fā)展到藍(lán)牙6其調(diào)制方式并沒(méi)有怎么變化。

6.1、藍(lán)牙調(diào)試方式分類

6.1.1 、GFSK

GFSK就是G+FSK，G是指高斯濾波器，F(xiàn)SK就是頻移鍵控調(diào)制。其原理就是先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯濾波處理，再進(jìn)行傳統(tǒng)的頻移鍵控（FSK）調(diào)制。通過(guò)高斯濾波降低信號(hào)在除目標(biāo)調(diào)制頻率外其他頻率上的信號(hào)強(qiáng)度，減少不同頻率信號(hào)間的干擾，然后通過(guò)改變載波頻率來(lái)表示不同的數(shù)據(jù)比特組合。

GFSK是經(jīng)典藍(lán)牙（Basic Rate，BR）和藍(lán)牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）的主要調(diào)制方式。在經(jīng)典藍(lán)牙中，其調(diào)制指數(shù)通常在 0.28-0.35 之間，在藍(lán)牙 5.0 中，調(diào)制指數(shù)范圍一般為 0.45-0.55。

關(guān)于高斯濾波器：

高斯濾波器是調(diào)制前的成行濾波器，在藍(lán)牙中選用BT=0.5的高斯濾波器，B是高斯濾波器的3dB帶寬，不同的BT濾波器頻率響應(yīng)如下圖所示：

那么藍(lán)牙中為什么選用 BT=0.5 的高斯濾波器？主要有以下原因：

高效利用頻譜資源：BT=0.5 的高斯濾波器能夠在有限的頻譜范圍內(nèi)，使信號(hào)的頻譜更加集中，從而提高頻譜利用率。

降低帶外輻射：高斯濾波器的頻率響應(yīng)特性使得信號(hào)的帶外衰減較快，BT=0.5時(shí)，信號(hào)的帶外頻譜旁瓣較小，能夠有效降低信號(hào)的帶外輻射。

減小多徑干擾影響：BT=0.5的高斯濾波器可以平滑信號(hào)的瞬時(shí)變化，降低信號(hào)的瞬時(shí)帶寬，從而在一定程度上減小多徑干擾的影響，提高信號(hào)的抗衰落能力，改善藍(lán)牙設(shè)備在多徑環(huán)境下的通信質(zhì)量。

降低相鄰信道干擾：BT=0.5的設(shè)置可以有效減小信號(hào)對(duì)相鄰信道的泄漏，降低相鄰信道干擾。這有助于在密集的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，可以減少相互之間的干擾，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信效率和穩(wěn)定性。

平衡碼間串?dāng)_與帶寬：BT值的大小決定了高斯濾波器的帶寬，一般BT值越小，能量越集中，但碼間串?dāng)_也會(huì)越嚴(yán)重。BT=0.5是一個(gè)在減小碼間串?dāng)_和限制信號(hào)帶寬之間取得較好平衡的值。它能夠在一定程度上限制信號(hào)的帶寬，避免信號(hào)占用過(guò)多的頻譜資源，同時(shí)也不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的碼間串?dāng)_，保證了信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

滿足藍(lán)牙帶寬需求：藍(lán)牙的碼元速率是1Mbps，時(shí)延帶寬積BT=0.5時(shí)，高斯濾波器的3dB帶寬B=1/(2Tb)=500kHz，與藍(lán)牙的帶寬需求相匹配。

FSK調(diào)制是載波的頻率隨信息符號(hào)成正比的一種調(diào)制方式，當(dāng)發(fā)送信息符號(hào)1時(shí)發(fā)射頻率向上搬移fdHz，當(dāng)發(fā)送信息符號(hào)-1時(shí)發(fā)射頻率向下搬移fdHz。

頻率的突發(fā)切換會(huì)引起較大的帶外頻譜旁瓣，為了減小瞬時(shí)相變進(jìn)而減小帶外輻射，所以將信息先經(jīng)過(guò)濾波器再進(jìn)行頻率調(diào)制。另外還存在如何選擇合適頻偏的問(wèn)題。針對(duì)頻偏的問(wèn)題，這里會(huì)引入調(diào)制指數(shù)。

關(guān)于調(diào)制指數(shù)：

對(duì)于GFSK調(diào)制的頻率偏移會(huì)引入一個(gè)變量表示歸一化頻偏，該變量被叫做調(diào)制指數(shù)，定義如下：

對(duì)于藍(lán)牙協(xié)議，調(diào)制指數(shù)在0.28-0.35之間，根據(jù)上面公式可以求出其峰值頻率偏移在140kHz到175kHz之間。當(dāng)調(diào)制指數(shù)取不同值時(shí)所帶來(lái)的效果是不同的。調(diào)制指數(shù)反映了一個(gè)比特時(shí)間內(nèi)允許的相位變化量。

藍(lán)牙調(diào)制指數(shù)選擇0.28-0.35之間，主要是為了在信號(hào)的頻譜特性、抗干擾能力、功率控制以及設(shè)備復(fù)雜度等方面取得平衡，以下是具體原因：

降低鄰道干擾：0.28-0.35的調(diào)制指數(shù)能有效降低信號(hào)的帶外頻譜旁瓣，減少藍(lán)牙信號(hào)對(duì)相鄰信道的泄漏，從而降低對(duì)其他設(shè)備的干擾，同時(shí)提高自身抗鄰道干擾的能力。

增強(qiáng)抗多徑干擾能力：較低的調(diào)制指數(shù)可減小信號(hào)的瞬時(shí)帶寬，降低多徑效應(yīng)帶來(lái)的頻率選擇性衰落對(duì)信號(hào)的影響，提高信號(hào)的抗多徑干擾能力。

高效利用有限頻譜：0.28-0.35的調(diào)制指數(shù)能在保證信號(hào)傳輸質(zhì)量的同時(shí)，有效提高頻譜利用率，滿足藍(lán)牙通信的帶寬需求。

匹配藍(lán)牙帶寬需求：藍(lán)牙的符號(hào)速率為1Msym/s，調(diào)制指數(shù)在0.28-0.35之間時(shí)，對(duì)應(yīng)的峰值頻率偏移在140kHz到175kHz之間，與藍(lán)牙的帶寬需求相匹配。

性能滿足要求：通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，0.28-0.35的調(diào)制指數(shù)能夠滿足藍(lán)牙設(shè)備在不同應(yīng)用場(chǎng)景下的通信性能要求，如誤碼率、信號(hào)質(zhì)量等指標(biāo)都能達(dá)到較好的水平，為藍(lán)牙設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

6.1.2、π/4-DQPSK

EDR 模式下的一個(gè)重要的特點(diǎn)就是數(shù)據(jù)內(nèi)的調(diào)制方式改變了。接入碼（ access code ）和分組頭（ packet header ）通過(guò) BR 模式的 1Mbps 的 GFSK 調(diào)制方式來(lái)傳輸，而后面的同步序列、凈荷以及尾序列通過(guò) EDR 模式的 PSK 調(diào)制方式來(lái)傳輸。2Mbps 的 PSK 調(diào)制傳輸是采用π/4 循環(huán)差分相位編碼的四進(jìn)制鍵控方式。每個(gè)碼元代表2 比特信息。

原理 ：π/4-DQPSK差分四相移相鍵控（DQPSK）的一種變體，通過(guò)對(duì)信號(hào)的相位進(jìn)行調(diào)整來(lái)表示不同的數(shù)據(jù)比特組合，在每個(gè)符號(hào)期間，載波信號(hào)的相位根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特而變化。

應(yīng)用 ：主要用于藍(lán)牙增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率（Enhanced Data Rate，EDR）模式下的數(shù)據(jù)傳輸，可提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

特點(diǎn) ：能在相同的帶寬下實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，相比 GFSK，其頻譜效率更高，適合對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景

6.1.3、8-DQPSK

3Mbps 的 PSK 調(diào)制傳輸是采用循環(huán)差分相位編碼的八進(jìn)制鍵控方式(8DPSK) 。每個(gè)碼元代表3 比特信息。

原理 ：8 進(jìn)制差分相移鍵控（DPSK），通過(guò) 8 種不同的相位偏移來(lái)表示 3 個(gè)比特的數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)比特映射到不同的相位狀態(tài)上，每個(gè)相位狀態(tài)代表特定的比特組合。

應(yīng)用 ：同樣應(yīng)用于藍(lán)牙 EDR 模式，可進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

特點(diǎn) ：在相同的符號(hào)速率下，8-DPSK 可傳輸更多的數(shù)據(jù)比特，從而實(shí)現(xiàn)更高的頻譜效率，但對(duì)信號(hào)的相位噪聲和頻率偏移較為敏感。

七、藍(lán)牙跳頻序列

經(jīng)典藍(lán)牙跳頻序列 ：經(jīng)典藍(lán)牙協(xié)議總共定義了六種跳頻序列，其中有五種屬于基本跳頻系統(tǒng)，一種為自適應(yīng)跳頻系統(tǒng)。包括覆蓋 32 個(gè)頻率的尋呼跳頻序列；覆蓋 32 個(gè)響應(yīng)頻率的尋呼響應(yīng)跳頻序列；覆蓋 32 個(gè)頻率的查詢跳頻序列；覆蓋 32 個(gè)響應(yīng)頻率的查詢響應(yīng)跳頻序列；具有很長(zhǎng)周期長(zhǎng)度的基本通道跳頻序列；以及從基本通道跳頻序列派生出的可使用少于 79 個(gè)頻率的自適應(yīng)的通道跳頻序列。

藍(lán)牙低功耗跳頻序列 ：藍(lán)牙低功耗（BLE）的跳頻序列相對(duì)簡(jiǎn)單。BLE 將 2.4GHz 頻段劃分為 40 個(gè)信道，其中 3 個(gè) advertising 信道（37、38、39）用于廣播，其余 37 個(gè)為數(shù)據(jù)信道。連接建立時(shí)，主設(shè)備會(huì)掃描 BLE 的連接信道，并根據(jù)空閑程度劃分為可用信道和不可用信道，形成 Channel Map，然后每次連接事件時(shí)根據(jù)特定算法選擇 Channel Map 上的可用信道進(jìn)行通信。

八、藍(lán)牙跳頻機(jī)制與周期

藍(lán)牙采用了自適應(yīng)跳頻AFH（Adaptive Frequency Hopping），先聽(tīng)后說(shuō)LBT（Listen Before Talk）、功率控制等一系列獨(dú)特的措施克服干擾，避免沖突。在微微網(wǎng)中，所有單元都在時(shí)間上和跳頻上與信道同步。信道 分 為 時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)625u s 。每個(gè)時(shí)隙相應(yīng)地有一個(gè)跳頻頻率，通常跳頻速率為1600跳/秒。

九、自適應(yīng)跳頻技術(shù)

AFH技術(shù)是建立在自動(dòng)信道質(zhì)量分析基礎(chǔ)上的一種頻率自適應(yīng)和功率自適應(yīng)控制相結(jié)合的技術(shù)。AFH 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)信道的干擾情況，并動(dòng)態(tài)地避開(kāi)受干擾的信道。主設(shè)備會(huì)定期掃描周?chē)男诺?，收集每個(gè)信道的干擾信息，然后更新可用信道列表，并通知從設(shè)備。在通信過(guò)程中，設(shè)備只在可用信道上進(jìn)行跳頻通信，從而有效避免了干擾源。

所謂頻率自適應(yīng)控制是在跳頻通信過(guò)程中，拒絕使用那些曾經(jīng)用過(guò)但是傳輸不成功的跳頻頻率集中的頻點(diǎn)，即實(shí)時(shí)去除跳頻頻率集中被干擾的頻點(diǎn)，使跳頻通信在無(wú)干擾的可使用的頻點(diǎn)上進(jìn)行，從而大大提高跳頻通信中接收信號(hào)的質(zhì)量。