现代智能汽车中的无线技术44——BT与BLE（3）

蓝牙采用GFSK和π/4-DQPSK两种调制方式决定传输速度。GFSK通过频率变化传输1bit/符号，速率1Mbps但抗干扰强；π/4-DQPSK利用相位变化传输2bit/符号，速率达2Mbps。传统蓝牙EDR模式最高理论速率3Mbps（8DPSK），实际吞吐约2.1Mbps，专为音频传输优化。蓝牙3.0+HS曾通过Wi-Fi实现54Mbps，但因功耗高被淘汰。BLE坚持GFSK以保证低功耗，速度提升通过提高符号率而非改变调制方式。不同调制方式在速率、功耗和抗干扰性间取得平衡，满足不同应用场景需求。

调制解调：GFSK与π/4-DQPSK的区别（为什么传统蓝牙传得快？）

在无线通信的微观世界里，所有的0和1最终都要变成电磁波的波动。**调制（Modulation）**就是把0和1“骑”在电磁波上的过程。 蓝牙家族主要使用了两种截然不同的调制方式，这也决定了它们的速度差异。

一、 基础模式：GFSK —— 稳如老狗 (1 Mbps)

GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying，高斯频移键控) 是蓝牙最原始、最基础的调制方式。

• 使用者：

• 传统蓝牙的 BR (Basic Rate) 模式。

• BLE 的 1M PHY 和 2M PHY 模式。

1. 原理：用频率代表0和1 GFSK 的逻辑非常简单粗暴：

• 频率偏高一点（+f），代表 1。

• 频率偏低一点（-f），代表 0。

• “G” (Gaussian)： 在频率突变之前，先过一个高斯滤波器，让波形变化得“圆润”一点，不要有锐利的棱角（减少频谱泄漏）。

2. 特点：一个萝卜一个坑 在GFSK模式下，一个符号（Symbol）只携带 1 bit 信息。

• 发射 100万次符号 = 传输 100万 bit 数据。

• 所以，BR模式的速率就是 1 Mbps。

3. 优缺点

• 优点： 极其抗干扰，解调简单，省电，成本低。只要频率有偏差就能读出来。

• 缺点： 效率低。就像一辆大卡车（一个符号周期）只拉了一个苹果（1 bit）。

二、 进阶模式：PSK家族 —— 疯狂装载 (2 Mbps / 3 Mbps)

为了传输高品质音乐（CD级音质需要约1.4Mbps带宽），1 Mbps的GFSK显然不够用了。于是，蓝牙2.0引入了 EDR (Enhanced Data Rate) 技术。 EDR 的核心思想是：频率不变，我们玩相位（Phase）。 1. π/4-DQPSK —— 2 Mbps 的秘密 全称：π/4π/4 Differential Quadrature Phase Shift Keying（π/4差分正交相移键控）。 别被名字吓到，它的逻辑是：

• GFSK只看频率高低。

• DQPSK看波形的相位变化。

• 我们将相位切分成 4种 可能性（0°, 90°, 180°, 270°）。

• 每次相位变化，可以代表 2 bit 信息 (00, 01, 10, 11)。

结果： 同样是一个符号周期，这辆卡车拉了 2个苹果。速率翻倍，达到 2 Mbps。 2. 8DPSK —— 3 Mbps 的极限 全称：8-ary Differential Phase Shift Keying（8进制差分相移键控）。

• 更进一步，将相位切分成 8种 可能性。

• 每次相位变化，可以代表 3 bit 信息 (000, 001, … 111)。

结果： 卡车拉了 3个苹果。速率达到 3 Mbps。这是传统蓝牙的理论极限。

传统蓝牙（Classic Bluetooth, BR/EDR）的物理层理论最高速率是 3 Mbps。

而在实际应用中，除去协议头、校验位和时隙间隔等开销，应用层实际最大吞吐量（Throughput） 大约为 2.1 Mbps。

以下是详细的技术拆解：

1. 物理层极限：3 Mbps 的由来

这个速率是由 蓝牙 2.0 + EDR 标准确定的，并且至今未变（后续的蓝牙 5.x 版本主要提升的是 BLE，对传统蓝牙的速率没有提升）。

• 技术模式： EDR (Enhanced Data Rate)

• 调制方式： 8DPSK (8-ary Differential Phase Shift Keying)

• 计算公式：

• 传统蓝牙的符号率（Symbol Rate）固定为 1 M/s（每秒发送100万个符号）。

• 在 8DPSK 调制下，每个符号携带 3 bits 信息（相位有8种变化，23=823=8）。

• 速率 = 1 M Symbol/s ×× 3 bits/Symbol = 3 Mbps。

2. 实际吞吐量：为什么只有 2.1 Mbps？

你永远跑不到 3 Mbps，因为中间有“过路费”。蓝牙是基于 TDD（时分双工） 的，传输不是连续的水流，而是一个个的数据包。

要达到最高速率，必须满足以下苛刻条件：

• 3： 代表使用 3Mbps 模式 (8DPSK)。

• DH： 代表 Data High rate (高数据率)。

• 5： 代表这个包一口气占用 5个时隙 (5 slots)。

• 非对称传输： 必须是单向狂传。

• 主设备（手机）疯狂发 5 个时隙的包。

• 从设备（耳机）只能回 1 个时隙的确认包（ACK）。

• 如果两边都想发数据，速度就会对半砍。

扣除开销： 每个数据包里包含了：

• Access Code（接入码）： 用于同步。

• Header（包头）： 只有1Mbps速度，非常慢，用于告诉对方“这是个什么包”。

• Guard Time（保护间隔）： 防止收发切换时撞车。

• CRC（校验码）： 检错用。

把这些不传数据的“废话”去掉后，剩下的**有效载荷（Payload）**传输速率极限约为 2.1 Mbps。

3. 这个速率意味着什么？

• 传音频： 足够了。

• CD级音质（1.41 Mbps）完全吃得下。

• 索尼 LDAC（最高 990 kbps）也只占用了约 50% 的带宽。

• 但是在干扰环境下，蓝牙会自动降速到 2Mbps 甚至 1Mbps，这时候 LDAC 就会卡顿。

• 传文件： 太慢了。

• 传一张 5MB 的照片需要约 20秒。

• 传一个 1GB 的电影需要约 1小时。

4. 为什么不再快一点？

既然 Wi-Fi 能做到几百兆，为什么蓝牙卡在 3Mbps 不动了？ 这就涉及到了物理层的博弈：

• 如果要上更高阶的调制（比如 16-QAM，一车拉4个苹果），对**信噪比（SNR）**的要求会指数级上升。

• 这意味着发射功率必须加大，或者接收灵敏度要求极高。

• 这会导致功耗飙升和抗干扰能力变差。

蓝牙的设计初衷是“省电的短距通信”，3 Mbps 是在 功耗、成本、抗干扰 三者之间找到的最佳平衡点（Sweet Spot）。

总结

• 理论物理速率： 3 Mbps (EDR 8DPSK)

• 实际最高吞吐： ~2.1 Mbps

• 结论： 传统蓝牙就是为了传音频设计的，这个速度刚好够用，不多也不少。要传大文件，请出门左转找 Wi-Fi。

三、 为什么BLE不用 8DPSK？

这就回到了设计哲学的根本差异。

• 传统蓝牙（EDR） 为了追求速度，牺牲了抗干扰能力和接收灵敏度。

• 比喻： 8DPSK就像是在稍微有点抖动的纸上写极小的字。稍微有一点噪声干扰（纸抖了一下），接收端就分不清是001还是010了。这需要大功率发射和复杂的纠错算法，费电。

• BLE 的核心任务是省电。

• BLE 坚守 GFSK 阵地。因为它简单、皮实、解调电路功耗极低。

• 哪怕到了 蓝牙5.0 引入了 2M PHY（2倍速），它依然使用 GFSK！

• 怎么做到的？ 蓝牙5.0并没有像EDR那样增加每个符号的信息量（没有用PSK），而是单纯地把发符号的速度加快了一倍（符号率从1M/s变成2M/s）。

• 代价： 带宽变大，灵敏度稍微下降，距离缩短。

四、 工程师视角的总结表

模式

调制方式

符号携带信息

理论速率

应用场景

五、 避坑实战：为什么我的耳机听歌卡顿？

在开发或使用蓝牙音频产品时，我们常遇到环境干扰导致的卡顿。这通常是 Rate Adaptation (速率自适应) 机制在起作用。

补充传统蓝牙的54Mbps说明

在蓝牙的发展史上，“54Mbps” 确实存在过，但它是一个巨大的误解，或者说是一个**“技术上的作弊”**。 这主要出现在 Bluetooth 3.0 + HS (High Speed) 版本中。这个版本是蓝牙历史上最奇特、也最尴尬的一个分支。 以下是关于“蓝牙 54Mbps”的真相拆解，这段历史可以作为《蓝牙全解》书中的番外篇或技术插曲。

番外篇：昙花一现的“怪胎” —— 蓝牙 3.0 + HS 如果你在某些老旧设备的说明书上看到“蓝牙传输速率高达 24Mbps 甚至 54Mbps”，请不要怀疑你的眼睛，也不要怀疑前几节讲的“3Mbps 极限”。 因为蓝牙 3.0 + HS 玩了一招**“移花接木”**。 一、 核心秘密：AMP (Alternative MAC/PHY) 2009年发布的蓝牙 3.0 引入了一个核心概念：AMP (Alternative MAC/PHY，交替射频技术)。 简单来说，那个 54Mbps 的速度，压根就不是用蓝牙射频传的，而是用 Wi-Fi 传的！

• 机制是这样的：

比喻： 蓝牙就像是一个**“房产中介”（负责牵线搭桥，耗能低），而 Wi-Fi 是一辆“大卡车”**（负责拉货，耗油高）。 蓝牙 3.0 + HS 的逻辑是：中介谈好合同后，叫来大卡车拉货，拉完货卡车开走，中介留下维护关系。 二、 为什么是 54Mbps？ 这个数字直接暴露了它的本质：

• 蓝牙 EDR 极限： 3 Mbps (8DPSK)。

• Wi-Fi 802.11g 极限： 54 Mbps。

所以，所谓的“蓝牙高速版”，本质上就是**“披着蓝牙外衣的 Wi-Fi”**（Bluetooth over 802.11）。它利用了当时手机里普遍已经存在的 Wi-Fi 芯片（Co-location），试图融合两者的优点。 三、 为什么它失败了？ 你现在几乎看不到宣称“High Speed”的蓝牙产品了，这个技术路线已经名存实亡。原因有三：

• 内部打击： 一年后（2010），蓝牙 4.0 (BLE) 发布。蓝牙联盟（SIG）迅速意识到：“和 Wi-Fi 比速度是死路一条，省电才是王道。” 于是技术路线全面转向低功耗。

• 外部竞争： Wi-Fi Direct (Wi-Fi 直连) 技术成熟了。安卓的快传、苹果的 AirDrop 直接使用 Wi-Fi 协议栈搞定一切，根本不需要蓝牙来当那个“中介”了（或者蓝牙仅作为极低权重的发现机制）。

四、 工程师视角的结论 “蓝牙 3.0 + HS 是一个短命的过渡性标准。它证明了蓝牙试图在‘高带宽’领域挑战 Wi-Fi 是错误的战略方向。真正的蓝牙（True Bluetooth Radio），其物理层速率从未超过 3 Mbps（EDR）或 2 Mbps（BLE 5.0）。” 所以，如果有客户问你：“为什么现在的蓝牙 5.3 只有 2Mbps，还不如当年的 3.0 快？” 你可以自信地回答：“因为当年的 3.0 是‘作弊’用了 Wi-Fi，而现在的 2Mbps 才是蓝牙真正凭本事跑出来的。”