從1999年藍牙的第一個版本1.0發布，至今已有二十年。期間歷經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等十多個版本的演變。從1.0到3.0版本又稱為Classic Bluetooth；從4.0以后的版本又稱為Bluetooth Low Energy。在藍牙的核心協議最新版本卷2和卷6分別定義了兩大類藍牙版本的射頻特性。有經典藍牙（Classic BT）的GFSK，basic rate也就是1Mbps速率，以及EDR定義的DPSK 2Mbps和3Mbps速率；BLE版本的低功耗藍牙，也定義了GFSK（Gaussian Frequency Shift Keying）的調制方式，但頻譜波形卻有不同。下面我們從兩道選擇題說起，答案可以通過回復消息來提交：

問題1：請按照黃色-藍色-粉色-綠色的順序排列出下面截圖中顯示的波形分別是藍牙哪個版本的頻譜？

A．BLE—2Mbps B．BT2.0+EDR—3Mbps

C．BT2.0—1Mbps D．BLE—1Mbps

如果第一問輕松過關，再來看問題2：請按照黃色-粉色-綠色的順序排列出下面截圖中顯示的波形分別是藍牙BLE哪種類型的頻譜？

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

以上兩道問題如果都能說得清道得明，那么下述內容可以跳過了。如果不是很確定，請繼續往下看：

經典藍牙在2.0版本之后為提升數據速率，增加了PSK的調制，對2 Mb/s的速率定義了π/4旋轉的差分編碼QPSK (π/4-DQPSK)調制，對3 Mb/s的速率定義了差分編碼8PSK(8DPSK)的調制。此兩者由于采用了高階調制而不是1比1的2FSK，有效數據傳輸效率分別提升到2倍和3倍，但符號速率是一致的，仍為1M sym/s，所以這兩種波形頻譜帶寬和形狀都比較類似。下面針對不同版本的GFSK進行對比分析。

首先，比較一下Classic BT Basic Rate和BLE版本GFSK的協議規定：以下是針對Basic Rate協議中給出的GFSK調制的規定：

? Bandwidthbit period productBT=0.5；

? Modulation index shall bebetween 0.28 and 0.35；

? The symbol timing shall beless than ±20 ppm；

? 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；

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

? 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

以下是針對BLE版本，協議中給出的GFSK的規定：

? Bandwidthbit period productBT=0.5；

? The modulation index shallbe between 0.45 and 0.55；

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

? 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；

? 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；

? 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；

? 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

對以上協議中規定的不同點，已經用下劃線標注，可見最大的不同在于調制指數和調制頻偏。就是說同為GFSK調制，data rate同為1Mbps，調制符號速率同為1Msym/s，但由于調制指數不同，最大頻偏不同，頻譜的形狀就有差別，下面兩圖分別是最大頻偏為115kHz和185kHz的GFSK頻譜圖。所以對于BT2.0和BLE的1Mbps頻譜圖我們可以區別出來。

圖1 GFSK最大頻偏115kHz（上）和最大頻

第二道問題中的5.0不同波形，頻譜最寬的一定是2Mbps的頻譜，而黃色和粉色都是同樣的帶寬，要如何區分呢？協議中定義了以下四種物理層調制編碼類型，1Mbps和2Mbps是uncoded，125kbps和500kbps是coded類型，即支持糾錯編碼。編碼又分為兩種，一種是S=2，即2個symbol代表1個bit因此支持500kbps速率，另一種是S=8，即8個symbol代表1個bit，所以支持125kbps速率。很顯然coded類型是為了增加信道的抗干擾能力，有效提升傳輸距離，改善接收靈敏度。這與5.0要支持更大覆蓋范圍的需求是相對應的。

而125kbps頻譜和1Mbps頻譜的本質區別就在于payload的數據類型不同。我們可以先舉個例子，來對比一下當payload分別為PN9和11110000重復兩種情況下的GFSK頻譜，如下圖所示

可知，payload對FSK頻譜形狀的影響也很明顯，根據協議的規定，對于編碼之后的payload正是產生了多個連續1和連續0的情況，下圖舉例說明了在S=2和S=8編碼之后數據的實際輸出，會有很多重復的1和0出現。

綜上，可以很容易區分不同版本藍牙的GFSK頻譜。

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