BluetoothGFSK频谱；如何区分不同版本蓝牙的GFSK频谱？

从1999年蓝牙的第一个版本1.0发布，至今已有二十年。期间历经V1.0，V1.1，V1.2，V2.0+EDR，V2.1+EDR，V3.0+HS，V4.0，V4.1，V4.2，V5.0，V5.1等十多个版本的演变。从1.0到3.0版本又称为Classic Bluetooth；从4.0以后的版本又称为Bluetooth Low Energy。在蓝牙的核心协议最新版本卷2和卷6分别定义了两大类蓝牙版本的射频特性。有经典蓝牙（Classic BT）的GFSK，basic rate也就是1Mbps速率，以及EDR定义的DPSK 2Mbps和3Mbps速率；BLE版本的低功耗蓝牙，也定义了GFSK（Gaussian Frequency Shift Keying）的调制方式，但频谱波形却有不同。下面我们从两道选择题说起，答案可以通过回复消息来提交：

问题1：请按照黄色-蓝色-粉色-绿色的顺序排列出下面截图中显示的波形分别是蓝牙哪个版本的频谱？

A．BLE—2Mbps B．BT2.0+EDR—3Mbps

C．BT2.0—1Mbps D．BLE—1Mbps

如果第一问轻松过关，再来看问题2：请按照黄色-粉色-绿色的顺序排列出下面截图中显示的波形分别是蓝牙BLE哪种类型的频谱？

A．BT5.0—LE 2Mbps B．BT5.0—LE 1Mbps C．BT5.0—LE Coded 125kbps

以上两道问题如果都能说得清道得明，那么下述内容可以跳过了。如果不是很确定，请继续往下看：

经典蓝牙在2.0版本之后为提升数据速率，增加了PSK的调制，对2 Mb/s的速率定义了π/4旋转的差分编码QPSK (π/4-DQPSK)调制，对3 Mb/s的速率定义了差分编码8PSK(8DPSK)的调制。此两者由于采用了高阶调制而不是1比1的2FSK，有效数据传输效率分别提升到2倍和3倍，但符号速率是一致的，仍为1M sym/s，所以这两种波形频谱带宽和形状都比较类似。下面针对不同版本的GFSK进行对比分析。

首先，比较一下Classic BT Basic Rate和BLE版本GFSK的协议规定：以下是针对Basic Rate协议中给出的GFSK调制的规定：

Ø Bandwidthbit period productBT=0.5；

Ø Modulation index shall bebetween 0.28 and 0.35；

Ø The symbol timing shall beless than ±20 ppm；

Ø For each transmission, theminimum frequency deviation, Fmin = min{|Fmin+|,Fmin-}, which corresponds to1010 sequence shall be no smaller than ±80% of the frequency deviation (fd)with respect to the transmit frequency Ft, which corresponds to a 00001111sequence；

Ø The minimum frequencydeviation shall never be smaller than 115kHz. The data transmitted has a symbolrate of 1 Msym/s；

Ø The zero crossing error is thetime difference between the ideal symbol period and the measured crossing time.This shall be less than ± 1/8 of a symbol period

以下是针对BLE版本，协议中给出的GFSK的规定：

Ø Bandwidthbit period productBT=0.5；

Ø The modulation index shallbe between 0.45 and 0.55；

Ø The symbol timing accuracyshall be better than ±50 ppm；

Ø For each transmission theminimum frequency deviation, Fmin = min { |Fmin+ | , Fmin- } which correspondsto a 1010 sequence, shall be no smaller than ±80% of the frequency deviationwith respect to the transmit frequency, which corresponds to a 00001111sequence；

Ø The minimum frequencydeviation shall never be less than 185 kHz when transmitting at 1 megasymbolper second (Msym/s) symbol rate and never be less than 370 kHz when transmittingat 2 Msym/s symbol rate；

Ø The zero crossing error is thetime difference between the ideal symbol period and the measured crossing time.This shall be less than ±1/8 of a symbol period；

Ø An LE device with atransmitter that has a stable modulation index may inform the receiving LEdevice of this fact through the feature support mechanism. The modulation indexfor these transmitters shall be between 0.495 and 0.505. A device shall onlystate that it has a stable modulation index if that applies to all LEtransmitter PHYs it supports

对以上协议中规定的不同点，已经用下划线标注，可见最大的不同在于调制指数和调制频偏。就是说同为GFSK调制，data rate同为1Mbps，调制符号速率同为1Msym/s，但由于调制指数不同，最大频偏不同，频谱的形状就有差别，下面两图分别是最大频偏为115kHz和185kHz的GFSK频谱图。所以对于BT2.0和BLE的1Mbps频谱图我们可以区别出来。

图1 GFSK最大频偏115kHz（上）和最大频

第二道问题中的5.0不同波形，频谱最宽的一定是2Mbps的频谱，而黄色和粉色都是同样的带宽，要如何区分呢？协议中定义了以下四种物理层调制编码类型，1Mbps和2Mbps是uncoded，125kbps和500kbps是coded类型，即支持纠错编码。编码又分为两种，一种是S=2，即2个symbol代表1个bit因此支持500kbps速率，另一种是S=8，即8个symbol代表1个bit，所以支持125kbps速率。很显然coded类型是为了增加信道的抗干扰能力，有效提升传输距离，改善接收灵敏度。这与5.0要支持更大覆盖范围的需求是相对应的。

而125kbps频谱和1Mbps频谱的本质区别就在于payload的数据类型不同。我们可以先举个例子，来对比一下当payload分别为PN9和11110000重复两种情况下的GFSK频谱，如下图所示

可知，payload对FSK频谱形状的影响也很明显，根据协议的规定，对于编码之后的payload正是产生了多个连续1和连续0的情况，下图举例说明了在S=2和S=8编码之后数据的实际输出，会有很多重复的1和0出现。

综上，可以很容易区分不同版本蓝牙的GFSK频谱。

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