本文接上一篇繼續分享藍牙的基礎知識。

六、藍牙調制方式

藍牙由于其速率不高，所以其調制方式并沒有像WIFI那樣隨著協議的升級而不斷地升級，從藍牙1發展到藍牙6其調制方式并沒有怎么變化。

6.1、藍牙調試方式分類

6.1.1 、GFSK

GFSK就是G+FSK，G是指高斯濾波器，FSK就是頻移鍵控調制。其原理就是先對原始數據進行高斯濾波處理，再進行傳統的頻移鍵控（FSK）調制。通過高斯濾波降低信號在除目標調制頻率外其他頻率上的信號強度，減少不同頻率信號間的干擾，然后通過改變載波頻率來表示不同的數據比特組合。

GFSK是經典藍牙（Basic Rate，BR）和藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）的主要調制方式。在經典藍牙中，其調制指數通常在 0.28-0.35 之間，在藍牙 5.0 中，調制指數范圍一般為 0.45-0.55。

關于高斯濾波器：

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

那么藍牙中為什么選用 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，使信號的頻譜更加集中，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特性使得信號的帶外衰減較快，BT=0.5時，信號的帶外頻譜旁瓣較小，能夠有效降低信號的帶外輻射。

減小多徑干擾影響：BT=0.5的高斯濾波器可以平滑信號的瞬時變化，降低信號的瞬時帶寬，從而在一定程度上減小多徑干擾的影響，提高信號的抗衰落能力，改善藍牙設備在多徑環境下的通信質量。

降低相鄰信道干擾：BT=0.5的設置可以有效減小信號對相鄰信道的泄漏，降低相鄰信道干擾。這有助于在密集的藍牙網絡環境中，可以減少相互之間的干擾，提高整個網絡的通信效率和穩定性。

平衡碼間串擾與帶寬：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，但碼間串擾也會越嚴重。BT=0.5是一個在減小碼間串擾和限制信號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的帶寬，避免信號占用過多的頻譜資源，同時也不會導致嚴重的碼間串擾，保證了信號的傳輸質量。

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

FSK調制是載波的頻率隨信息符號成正比的一種調制方式，當發送信息符號1時發射頻率向上搬移fdHz，當發送信息符號-1時發射頻率向下搬移fdHz。

頻率的突發切換會引起較大的帶外頻譜旁瓣，為了減小瞬時相變進而減小帶外輻射，所以將信息先經過濾波器再進行頻率調制。另外還存在如何選擇合適頻偏的問題。針對頻偏的問題，這里會引入調制指數。

關于調制指數：

對于GFSK調制的頻率偏移會引入一個變量表示歸一化頻偏，該變量被叫做調制指數，定義如下：

對于藍牙協議，調制指數在0.28-0.35之間，根據上面公式可以求出其峰值頻率偏移在140kHz到175kHz之間。當調制指數取不同值時所帶來的效果是不同的。調制指數反映了一個比特時間內允許的相位變化量。

藍牙調制指數選擇0.28-0.35之間，主要是為了在信號的頻譜特性、抗干擾能力、功率控制以及設備復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的調制指數能有效降低信號的帶外頻譜旁瓣，減少藍牙信號對相鄰信道的泄漏，從而降低對其他設備的干擾，同時提高自身抗鄰道干擾的能力。

增強抗多徑干擾能力：較低的調制指數可減小信號的瞬時帶寬，降低多徑效應帶來的頻率選擇性衰落對信號的影響，提高信號的抗多徑干擾能力。

高效利用有限頻譜：0.28-0.35的調制指數能在保證信號傳輸質量的同時，有效提高頻譜利用率，滿足藍牙通信的帶寬需求。

匹配藍牙帶寬需求：藍牙的符號速率為1Msym/s，調制指數在0.28-0.35之間時，對應的峰值頻率偏移在140kHz到175kHz之間，與藍牙的帶寬需求相匹配。

性能滿足要求：通過大量實驗和理論分析表明，0.28-0.35的調制指數能夠滿足藍牙設備在不同應用場景下的通信性能要求，如誤碼率、信號質量等指標都能達到較好的水平，為藍牙設備的穩定運行提供了保障。

6.1.2、π/4-DQPSK

EDR 模式下的一個重要的特點就是數據內的調制方式改變了。接入碼（ access code ）和分組頭（ packet header ）通過 BR 模式的 1Mbps 的 GFSK 調制方式來傳輸，而后面的同步序列、凈荷以及尾序列通過 EDR 模式的 PSK 調制方式來傳輸。2Mbps 的 PSK 調制傳輸是采用π/4 循環差分相位編碼的四進制鍵控方式。每個碼元代表2 比特信息。

原理 ：π/4-DQPSK差分四相移相鍵控（DQPSK）的一種變體，通過對信號的相位進行調整來表示不同的數據比特組合，在每個符號期間，載波信號的相位根據傳輸的數據比特而變化。

應用 ：主要用于藍牙增強數據速率（Enhanced Data Rate，EDR）模式下的數據傳輸，可提高數據傳輸速率。

特點 ：能在相同的帶寬下實現更高的數據傳輸速率，相比 GFSK，其頻譜效率更高，適合對數據傳輸速率要求較高的應用場景

6.1.3、8-DQPSK

3Mbps 的 PSK 調制傳輸是采用循環差分相位編碼的八進制鍵控方式(8DPSK) 。每個碼元代表3 比特信息。

原理 ：8 進制差分相移鍵控（DPSK），通過 8 種不同的相位偏移來表示 3 個比特的數據信息，將數據比特映射到不同的相位狀態上，每個相位狀態代表特定的比特組合。

應用 ：同樣應用于藍牙 EDR 模式，可進一步提高數據傳輸速率。

特點 ：在相同的符號速率下，8-DPSK 可傳輸更多的數據比特，從而實現更高的頻譜效率，但對信號的相位噪聲和頻率偏移較為敏感。

七、藍牙跳頻序列

經典藍牙跳頻序列 ：經典藍牙協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，一種為自適應跳頻系統。包括覆蓋 32 個頻率的尋呼跳頻序列；覆蓋 32 個響應頻率的尋呼響應跳頻序列；覆蓋 32 個頻率的查詢跳頻序列；覆蓋 32 個響應頻率的查詢響應跳頻序列；具有很長周期長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 個頻率的自適應的通道跳頻序列。

藍牙低功耗跳頻序列 ：藍牙低功耗（BLE）的跳頻序列相對簡單。BLE 將 2.4GHz 頻段劃分為 40 個信道，其中 3 個 advertising 信道（37、38、39）用于廣播，其余 37 個為數據信道。連接建立時，主設備會掃描 BLE 的連接信道，并根據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根據特定算法選擇 Channel Map 上的可用信道進行通信。

八、藍牙跳頻機制與周期

藍牙采用了自適應跳頻AFH（Adaptive Frequency Hopping），先聽后說LBT（Listen Before Talk）、功率控制等一系列獨特的措施克服干擾，避免沖突。在微微網中，所有單元都在時間上和跳頻上與信道同步。信道 分 為 時隙，每個時隙長625u s 。每個時隙相應地有一個跳頻頻率，通常跳頻速率為1600跳/秒。

九、自適應跳頻技術

AFH技術是建立在自動信道質量分析基礎上的一種頻率自適應和功率自適應控制相結合的技術。AFH 能夠實時監測信道的干擾情況，并動態地避開受干擾的信道。主設備會定期掃描周圍的信道，收集每個信道的干擾信息，然后更新可用信道列表，并通知從設備。在通信過程中，設備只在可用信道上進行跳頻通信，從而有效避免了干擾源。

所謂頻率自適應控制是在跳頻通信過程中，拒絕使用那些曾經用過但是傳輸不成功的跳頻頻率集中的頻點，即實時去除跳頻頻率集中被干擾的頻點，使跳頻通信在無干擾的可使用的頻點上進行，從而大大提高跳頻通信中接收信號的質量。