一种基于Sub-GHz频段的蓝牙装置及实现方法与流程

一种基于sub-ghz频段的蓝牙装置及实现方法
技术领域
1.本技术涉及物联网领域，特别涉及一种基于sub-ghz频段的蓝牙装置及实现方法。


背景技术：

2.随物联网和智能家居概念的兴起，因蓝牙技术具有低成本、低功耗的特性，蓝牙技术广泛应用于实现物联网中不同设备间的通信。典型的物联网通过设置一个蓝牙网关，与周围内置蓝牙芯片的电子设备，例如智能灯具、摄像头乃至智能家用电器等，进行无线连接。蓝牙网关在接收到电子设备发出的蓝牙信号后，将信号中包含的数据信息转换为wifi或者以太网信号，发送至与以太网连接的设备，例如路由器中。
3.蓝牙技术所发射的蓝牙信号为2.4ghz频段的电磁波信号，而电磁波信号的传播方式有绕射和穿透两种，当电磁波波长跟障碍物尺寸相比拟时，采用绕射的方式传播；当电磁波波长远小于障碍物尺寸时，采用穿透的方式传播。由电磁波波速可知，2.4ghz频段电磁波信号的波长约为12cm，当蓝牙网关及与蓝牙网关相连接的电子设备设置在室内时，由于室内墙体较多，且墙体厚度通常大于12cm，蓝牙信号传播过程中会存在障碍物且难以进行绕射。而若采用穿透方式进行信号的传播，每穿透一面墙体，都会使蓝牙信号的强度大幅衰减，不利于数据信息的传递。通常可采用加大发射功率、提高蓝牙网关接收灵敏度或通过网格技术对蓝牙信号的接收进行优化。
4.但在实际应用中，加大发射功率会导致设备的功耗增大，成本增加；提高蓝牙网关的接收灵敏度，会使传输速率降低，不适用于高吞吐量或需要快速反馈的场景；网格技术是通过实现相邻设备间的通信，进而使所有设备都可与蓝牙网关进行连接，设计难度高，且由于不同设备间需要进行通信，也存在传输速率低的问题。因此，需要提供一种技术方案来避免优化蓝牙连接过程中优化效果不好且具有副作用的问题。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种基于sub-ghz频段的蓝牙装置及实现方法，以解决优化蓝牙连接过程中优化效果不好且具有副作用的问题。
6.根据本发明实施例的第一方面，提供了一种基于sub-ghz频段的蓝牙装置，包括控制器、通信总线、基带处理单元、调制解调器和射频收发单元，其中：所述控制器通过通信总线与所述基带处理单元连接；所述调制解调器包括调制器和解调器，所述调制器的输入端所述基带处理单元连接，所述解调器的输出端与所述基带处理单元连接；所述射频收发单元包括本振电路、混频器电路、收发端口和模数转换电路，所述混频器电路包括两个并联的混频器，所述混频器电路与所述收发端口串联；所述本振电路及模数转换电路与两个所述混频器分别连接；所述模数转换电路的输出端与所述解调器的输入端连接；所述本振电路包括锁相环回路和sigma-delta调制器，所述锁相环回路通过所述sigma-delta调制器的输入端与所述调制器的输出端连接；所述sigma-delta调制器用于对所述调制器输出端的输出信号进行数模转换；所述锁相环回路用于将所述sigma-delta调制器的输出信号变频至
预设频段。
7.射频收发单元能够接收和发射特定频段的射频信号，以使所述蓝牙装置避免发射的2.4ghz射频信号穿墙后衰减较大无法被其他蓝牙装置接收的情况发生。射频收发单元中的本振电路能够对基带信号进行调制处理，将经初步调制后的基带信号转换为模拟信号格式并变频至预设频段进行输出。
8.可选的，所述预设频段为sub-ghz频段。预设频段为sub-ghz频段，此频段下的电磁波信号波长较长，在室内环境中能够绕射传播，信号传播过程中的衰减小。
9.可选的，所述射频收发单元还包括功率放大电路，所述功率放大电路中设有输出功率放大器和输入功率放大器；所述输出功率放大器的输入端与所述锁相环回路的输出端连接，所述输出功率放大器输出端与所述收发端口串联；所述输出功率放大器用于放大所述锁相环回路输出信号的功率；所述输入功率放大器的输出端与所述混频器电路串联，所述输入功率放大器的输入端与所述收发端口串联；所述输入功率放大器用于放大所述收发端口接收到的射频信号的功率。功率放大电路能够分别为输入的射频信号和输出的射频信号进行功率放大。对输出的射频信号进行功率放大，能够防止信号功率不足，使信号在传播过程中衰减后仍可被检测、接收到；对输入的射频信号进行功率放大，能够尽可能使信号中的信息被提取，避免丢失信息。
10.可选的，所述射频收发单元还包括收发开关，所述收发开关的一端与所述收发端口串联，另一端与所述功率放大电路连接，所述收发开关用于连通所述收发端口与所述输出功率放大器或连通所述收发端口与所述输入功率放大器。收发开关能够控制所述蓝牙装置进行信号接收还是信号发射，使所述蓝牙装置仅通过一个端口就能实现接收、发射的分离，避免信号干扰。
11.可选的，所述锁相环回路包括压控振荡器、环路滤波器、鉴频鉴相器和多模分频器，其中：所述多模分频器与所述sigma-delta调制器的输出端连接；所述鉴频鉴相器与所述多模分频器串联，所述鉴频鉴相器通过所述环路滤波器与所述压控振荡器的输入端串联；所述压控振荡器的输出端分别与所述输出功率放大器和所述多模分频器连接。压控振荡器能够将接收到的信号变频为高频信号输出，输出的高频信号一部分输出至多模分频器，另一部分输出至输出功率放大器后进行放大输出。
12.可选的，所述鉴频鉴相器上设有两个输入端，所述锁相环回路还包括参考信号端；所述鉴频鉴相器的一个输入端与所述多模分频器连接，所述鉴频鉴相器的另一个输入端与所述参考信号端连接；所述参考信号端被配置为输出频率为所述预设频段的参考信号。通过鉴频鉴相器比对所述参考信号和多模分频器输出的信号，能够将所述锁相环回路的输出信号频率限制在所述预设频段。
13.可选的，所述锁相环回路还包括电荷泵，所述电荷泵串联在所述鉴频鉴相器与所述环路滤波器之间；所述电荷泵用于对所述鉴频鉴相器输出的信号进行增益以消除杂散及量化噪声。
14.可选的，所述射频收发单元还包括滤波器电路，所述滤波器电路设置在所述混频器电路与所述模数转换电路之间，以限制所述混频器电路输出信号的带宽。
15.根据本发明实施例的第二方面，提供了一种基于sub-ghz频段的蓝牙实现方法，应用于上述任一蓝牙装置，包括发射实现方法和接收实现方法：其中，所述发射实现方法的步
骤包括：控制基带处理单元生成基带信号并进行gfsk调制，以获取调制信号；对所述调制信号进行sigma-delta调制，以生成模拟信号格式的射频信号；将所述射频信号变频至预设频段；将位于所述预设频段的所述射频信号通过广播发送；所述接收实现方法的步骤包括：接收处于所述预设频段的信号，以获取接收信号；将所述接收信号变频至中频频率；对变频后的所述接收信号进行模数转换，以生成数字信号格式的处理信号；对所述处理信号进行gfsk解调，并发送至基带处理单元进行处理。
16.可选的，所述预设频段为sub-ghz频段。
17.由以上技术方案可知，本技术提供一种基于sub-ghz频段的蓝牙装置及实现方法，所述蓝牙装置包括控制器、通信总线、基带处理单元、调制解调器和射频收发单元，控制器通过通信总线与基带处理单元连接，射频收发单元通过调制解调器与基带处理单元连接。射频收发单元中包括本振电路、混频器电路、收发端口和模数转换电路，其中混频器电路能够将输入信号变频至中频，模数转换电路能够将中频信号进行模数转换以便于基带处理单元进行处理；本振电路则包括锁相环回路和sigma-delta调制器，能够将调制解调器输出的信号变换为预设频段的模拟信号并通过收发端口输出。所述蓝牙装置通过设置上述结构，使得蓝牙产生和处理的信号变为不易衰减的预设频段信号，避免优化蓝牙连接时产生速率下降、成本增加等问题。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本技术实施例中一种基于sub-ghz频段的蓝牙装置的结构示意图；
20.图2为本技术实施例中一种射频收发单元的结构示意图；
21.图3为本技术实施例中一种基于sub-ghz频段的蓝牙发射实现方法的流程图；
22.图4为本技术实施例中一种基于sub-ghz频段的蓝牙接收实现方法的流程图。
23.图示说明：100-射频收发单元；110-收发端口；120-混频器电路；130-模数转换电路；140-本振电路；150-功率放大电路；160-收发开关；170-滤波器电路；200-调制解调器；300-基带处理单元；400-通信总线；500-控制器；121-混频器；141-锁相环回路；142-sigma-delta调制器；151-输出功率放大器；152-输入功率放大器；210-调制器；220-解调器；1410-压控振荡器；1411-环路滤波器；1412-鉴频鉴相器；1413-参考信号端；1414-多模分频器；1415-电荷泵。
具体实施方式
24.下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的示例。
25.蓝牙技术是一种近距离无线通信技术，能在不同设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据通信和语音通信。因物联网及智能家居概念的普及，蓝牙技术因其上
述优点，被广泛应用于各种设备，以使其能够与其他设备进行无线连接。
26.由于通过蓝牙实现的无线通信的距离较短，应用蓝牙进行设备互联的方案通常应用于室内环境中，例如通过在不同家电或灯具等电子设备中内置蓝牙模块，实现室内电子设备的远程控制，在此基础上，常用星型组网的方式进行连接，即设置一个蓝牙网关作为节点，其他内置蓝牙模块的设备都与蓝牙网关进行无线连接。但室内环境中存在许多信号传播过程中无法避开的障碍物，例如墙体、大型家具等。在一些实施方式中，蓝牙技术采用2.4ghz频段的电磁波信号进行传输，根据波速和频率可知该频段的电磁波信号的波长约为12cm，小于室内环境中的墙体厚度。而又根据电磁波的特性可知，电磁波在空间中传播时遇到障碍物时，可有两种传播方式：穿透和绕射，其中，当电磁波波长跟障碍物尺寸相比拟时，一般采用绕射的方式传播；当电磁波波长远小于障碍物尺寸时，一般采用穿透的方式传播。但由于2.4ghz频段的蓝牙信号波长远小于室内的墙体厚度，因此在室内环境中，蓝牙信号在传播过程中如果遇到墙体等障碍物，需要通过穿透的方式进行传播。
27.而由于墙体等障碍物为固体，且墙体内含有金属支撑物，电磁波信号在墙体中会产生大幅衰减进而影响无线连接质量，在一些实施例中，可以通过增加蓝牙发射端的功率、增加蓝牙接收端的灵敏度以及采用网格技术进行组网来提升无线连接质量。为实现不同设备间的交互，设备中内置的蓝牙都具有发射和接收的功能，此时如果采用增加蓝牙发射端功率的方式进行蓝牙连接的优化，会使得蓝牙功耗上升，蓝牙的使用成本因此上升。而若采用增加接收端灵敏度的优化方法，能够使设备通过蓝牙接收到更小的信号，以避免电磁波信号衰减后无法通过蓝牙接收，但增加接收端灵敏度需要降低数据速率，数据速率的降低可能会导致设备应答时延较长，且不适用与高吞吐量的应用场景中。网格技术则是通过不同设备间两两互联进行组网的方式进行蓝牙连接的优化，但在蓝牙设备较多的场景中设计难度高，且由于需要不同的设备进行信号的中转，也会降低数据速率，同样不适用于高吞吐量的应用场景中。
28.为避免在优化蓝牙连接过程中出现功耗增加、速率降低等问题，参见图1，为本技术实施例中一种基于sub-ghz频段的蓝牙装置的结构示意图。如图1所示，本技术提供了一种基于sub-ghz频段的蓝牙装置，包括控制器500、通信总线400、基带处理单元300、调制解调器200和射频收发单元100。在本技术实施例中，所述蓝牙装置可为包括上述部件的蓝牙芯片。需要说明的是，本技术实施例中的蓝牙装置内置在不同的电子设备中，不同的电子设备仅会影响所述蓝牙装置发出的蓝牙信号中包含的数据信息，而不影响其物理性质。
29.其中，控制器500通过通信总线400与基带处理单元300连接。控制器500用于通过基带处理单元300控制所述蓝牙装置进行蓝牙信号的收发。在部分实施例中，控制器500可通过单片机进行实现，且单片机内部存储有蓝牙协议栈信息以便于不同设备间进行连接。
30.而调制解调器200包括调制器210和解调器220，调制器210的输入端与基带处理单元300连接，解调器220的输出端与基带处理单元300连接，具体的，调制解调器200用于将接收的蓝牙信号解码为基带处理单元300能够处理的信号，以及将基带处理单元300发出的基带信号初步调制为输出信号。需要说明的是，本技术实施例中的所述蓝牙装置采用的调制方式为gfsk调制，即高斯频移键控调制，能够对基带信号的频谱宽度进行限制，以此达到降低功耗的目的。
31.射频收发单元100包括本振电路140、混频器电路120、收发端口110和模数转换电
路130，其中，混频器电路120包括两个并联的混频器，混频器电路120与收发端口110串联。而本振电路140及模数转换电路130与两个混频器分别连接，模数转换电路130的输出端与解调器的输入端连接。需要说明的是，收发端口110在实际使用中需要外接天线，以接收和/或发射蓝牙信号，在部分实施例中，采用同时具有收发功能的天线作为所述蓝牙装置的外接天线。
32.在本实施例中，所述蓝牙装置在接收其他蓝牙装置发射的信号时，首先通过天线采集蓝牙信号作为输入信号，而后通过混频器和本振电路140配合将输入信号降至中频，所述中频在本实施例中为1mhz。最后通过模数转换电路130将模拟信号格式的输入信号变换为数字格式，以便于解调器220进行解调，以及便于基带处理单元300进行处理分析。
33.本振电路140包括锁相环回路141和sigma-delta调制器142，锁相环回路141通过sigma-delta调制器142的输入端与调制器210的输出端连接；sigma-delta调制器142用于对调制器210输出端的输出信号进行数模转换，而锁相环回路用于将sigma-delta调制器的输出信号变频至预设频段。在此基础上，使得射频收发单元100能够接收和发射特定频段的射频信号，以使所述蓝牙装置避免发射的2.4ghz射频信号穿墙后衰减较大无法被其他蓝牙装置接收的情况发生。
34.在本技术的部分实施例中，预设频段为sub-ghz频段。所述sub-ghz频段，即为亚ghz频段，具体指27mhz～960mhz的频率范围，此频段下的电磁波信号波长较长，在室内环境中能够绕射传播，信号传播过程中的衰减小，即使传播过程中需要通过穿透的方式进行传播，相对于2.4ghz频段的信号衰减程度也会很小，便于其他设备进行采集。
35.具体的，所述蓝牙装置发射和接收的射频信号频率可表示为：
36.f
rf_subghz
＝27mhz n*channelspacing
37.其中，n为射频信号在sub-ghz的信道数；channelspacing为信道间隔，具体的，信道间隔与中频频率相同，在本技术实施例中，当所述中频为1mhz时，信道间隔也为1mhz。理论上，信道间隔和中频频率可以自由定义，例如设为0.5mhz等，但由于通用的蓝牙协议中采用的信道间隔为1mhz，更改信道间隔需要将控制器500中的蓝牙协议栈以及基带处理单元300都进行更改，因此在本技术的部分实施例中仍采用信道间隔和中频频率均为1mhz这一设置。
38.为了使所述蓝牙装置能够更好的对收发的信号进行处理，射频收发单元100还包括功率放大电路150，功率放大电路150中设有输出功率放大器151和输入功率放大器152。输出功率放大器151的输入端与锁相环回路141的输出端连接，输出功率放大器151的输出端与收发端口110串联。具体的，输出功率放大器151可为功率放大器pa，能够对锁相环回路141输出的射频信号进行功率增益，从而使发射的信号功率更高，容易被其他所述蓝牙装置接收到。
39.而输入功率放大器152设置在收发端口110和混频器电路120之间，输入功率放大器152的输出端与混频器电路120串联，输入功率放大器152的输入端与收发端口110串联。在本技术的部分实施例中，输入功率放大器152可为低噪声功率放大器lna，相比于pa，lna在放大收发端口110接收到的射频信号的功率的同时，还能够消除因放大信号产生的噪声，提高收发端口110收到的信号的信噪比，避免在接收信号功率较小时，在放大过程中产生的噪声导致信号失真。
40.由于本技术中采用一个收发端口110进行信号的收发，为了避免接收信号和发射信号间的干扰，在部分实施例中，射频收发单元110还包括收发开关160，收发开关160的一端与收发端口110串联，另一端与功率放大电路150连接，收发开关160用于连通收发端口110与输出功率放大器151或连通收发端口110与输入功率放大器152。
41.需要说明的是，通过一个收发端口110进行信号的收发的方式被称为时分双工，即通过在一段时间内划分不同的时隙，在同一时隙内收发端口110仅进行接收或发送中的一项任务。具体的，时隙宽度可自行设置，且接收和发送时隙数量可不为1:1，即一段时间内的接收时隙数量与发送时隙数量可不相同，具体的比例可通过所述蓝牙装置的设置位置人工进行设置。
42.在本技术的部分实施例中，为了保证接收和发送不产生干扰，接收时隙和发送时隙进行切换时存在保护时隙，在保护时隙内，所述蓝牙装置既不会接收信号，也不会发送信号，从而确保接收和发送不被干扰。
43.在本技术的部分实施例中，收发开关160可为单刀双掷开关，也可为pin型二极管，具体采用何种开关，本技术中不做限制，能够实现所述蓝牙装置接收和发送的切换功能即可。
44.如图2所示，在部分实施例中，锁相环回路141包括压控振荡器1410、环路滤波器1411、鉴频鉴相器1412和多模分频器1414。其中多模分频器1414与sigma-delta调制器142的输出端连接，多模分频器1414接收sigma-delta调制器142输出的模拟信号格式的调制信号，使得多模分频器1414能够对不同与调制信号频段的信号分离，避免干扰。
45.而鉴频鉴相器1412与多模分频器1414串联，鉴频鉴相器1412通过环路滤波器1411与压控振荡器1410的输入端串联，压控振荡器1410的输出端分别与输出功率放大器151和多模分频器1414连接。鉴频鉴相器1412能够通过对比信号间的相位差以控制压控振荡器1410对信号尽心变频并输出。而环路滤波器1411能够将有鉴频鉴相器1412输出的信号中的高频误差分量滤除，提高锁相环回路141的抗干扰性能。
46.需要说明的是，多模分频器1414还能够接收压控振荡器1410的一部分输出信号，这一部分输出信号可作为锁相环回路141的反馈信号，通过多模分频器1414再发送至鉴频鉴相器1412中，使锁相环回路141能够将压控振荡器1410的输出信号频率锁定。
47.为使锁相环回路141能够将压控振荡器1410的输出限制在预设频段，在部分实施例中，鉴频鉴相器1412上设有两个输入端，锁相环回路141还包括参考信号端1413，参考信号端1413能够提供频率处在预设频段的参考信号。鉴频鉴相器1412的一个输入端与多模分频器1414连接，鉴频鉴相器1412的另一个输入端与参考信号端1413连接。鉴频鉴相器1412能够将多模分频器1414输出的信号作为一个输入信号，通过对比其与参考信号的相位差，生成针对多模分频器1414输出的信号的变频控制信号，以及比对压控振荡器1410输出信号的相位差，以使压控振荡器1410的输出信号的频率为预设频率。
48.在本技术的部分实施例中，参考信号端1413输出的参考信号还能够提供参考时钟，防止因时间误差，使收发端口110的输入和输出收到干扰。
49.在部分实施例中，锁相环回路141还包括电荷泵1415，电荷泵1415串联在鉴频鉴相器1412与环路滤波器1411之间，电荷泵1415能够对鉴频鉴相器1412输出的信号进行增益以消除杂散及量化噪声，以生成对压控振荡器1410的控制信号，通过控制信号控制压控振荡
器1410将信号变频至预设频率并输出。
50.而在所述蓝牙装置进行信号接收的过程中，为了使基带处理单元300能够更快速且无干扰的处理接收到的信号，射频收发单元100还包括滤波器电路170，滤波器电路170设置在混频器电路120与模数转换电路130之间，以限制混频器电路120输出信号的带宽。需要说明的是，所述带宽为频带宽度，滤波器电路170能够限制自身输出信号的频带宽度，使经混频器电路120混频后的信号中的非本频段的杂波干扰被滤除。在部分实施例当中，滤波器电路170中滤波器可为带通滤波器，通过限制信号的频段，将低于或高于限制范围的信号进行抑制，从而排出杂波干扰。
51.基于上述蓝牙装置，如图3至图4所示，本技术还提供了一种基于sub-ghz频段的蓝牙实现方法，应用于上述任一蓝牙装置，由于所述蓝牙装置的射频收发集成在一起，因此所述蓝牙实现方法也就包括发射实现方法和接收实现方法。
52.其中，发射实现方法的步骤包括：控制基带处理单元300生成基带信号并进行gfsk调制，以获取调制信号；对调制信号进行sigma-delta调制，以生成模拟信号格式的射频信号；将射频信号变频至预设频段；将位于预设频段的射频信号通过广播发送。
53.接收实现方法的步骤包括：接收处于预设频段的信号，以获取接收信号；将接收信号变频至中频频率；对变频后的接收信号进行模数转换，以生成数字信号格式的处理信号；对处理信号进行gfsk解调，并发送至基带处理单元300进行处理。需要说明的是，在本实施例中，所述中频频率为1mhz。
54.需要说明的是，在部分实施例中，为了保证蓝牙输出信号能够在室内环境中进行绕射，预设频段为sub-ghz频段，具体频率范围在27mhz～960mhz之间。
55.由以上技术方案可知，本技术提供一种基于sub-ghz频段的蓝牙装置，所述蓝牙装置包括控制器500、通信总线400、基带处理单元300、调制解调器200和射频收发单元100，控制器500通过通信总线400与基带处理单元300连接，射频收发单元100通过调制解调器200与基带处理单元300连接。射频收发单元100中包括本振电路140、混频器电路120、收发端口110和模数转换电路130，其中混频器电路120能够将输入信号变频至中频，模数转换电路130能够将中频信号进行模数转换以便于基带处理单元300进行处理；本振电路140则包括锁相环回路141和sigma-delta调制器142，能够将调制解调器200输出的信号变换为预设频段的模拟信号并通过收发端口110输出。所述蓝牙装置通过设置上述结构，使得蓝牙产生和处理的信号变为不易衰减的预设频段信号，避免优化蓝牙连接时产生速率下降、成本增加等问题。
56.本技术提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本技术总的构思下的几个示例，并不构成本技术保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本技术方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本技术的保护范围。