蓝牙跳频通信系统仿真.pdf-资料库

xujun3-2900326-4744302543442594502.pdf-第1页.png

第1页 / 共8页

xujun3-2900326-4744302543442594502.pdf-第2页.png

第2页 / 共8页

xujun3-2900326-4744302543442594502.pdf-第3页.png

第3页 / 共8页

xujun3-2900326-4744302543442594502.pdf-第4页.png

第4页 / 共8页

xujun3-2900326-4744302543442594502.pdf-第5页.png

第5页 / 共8页

xujun3-2900326-4744302543442594502.pdf-第6页.png

第6页 / 共8页

xujun3-2900326-4744302543442594502.pdf-第7页.png

第7页 / 共8页

xujun3-2900326-4744302543442594502.pdf-第8页.png

第8页 / 共8页

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 一种改进的蓝牙跳频算法张婵太原理工大学信息工程学院，太原（030024） Email:zc860127@163.com 摘要 : 本文首先介绍了蓝牙跳频系统中跳频序列的产生算法,接着以此算法为基础,以躲避干扰为目的,从提高系统抗干扰能力的角度出发,提出了一种改进的自适应跳频方案来进一步改善系统的性能。最后对改进后的系统进行了系统仿真和性能分析,结果表明，改进后的跳频系统大大提高了系统的抗干扰能力。关键词：蓝牙；跳频；自适应 1．引言作为短距离无线通信领域的一项热门研究技术，Bluetooth 受到了通信界的广大关注。它工作在全球通用的 2．4GHz ISM(工业、科学、医学)频段，由于该频段对所有无线电子系统都开放，Bluetooth 设备会受到相当严重的干扰。Bluetooth 采用快速跳频和短包技术,以确保链路稳定，最大限度地削减来自其他设备的射频干扰。但其传输稳定性仍然存在许多隐患 [5]。例如当干扰频率和跳频频率正好一样的时候，就会对系统的传输造成很大干扰。有人认为，跳频系统具有躲避于扰的能力。但实际上,目前的跳频系统尚未能做到这一点。只有当系统能够发现干扰并自适应改变载波频率时才能称的上是具有躲避干扰的能力，它建立在自适应跳频技术基础之上。 2．原始蓝牙跳频通信系统 2.1 跳频通信系统的原理跳频技术是通过一组伪随机码来控制载波跳变的工作方式。通信双方使用相同的跳频码发生器，并使用非相干检测等方法实现收发双方跳频序列在时间上的同步。跳频通信系统的核心部分是跳频序列发生器、频率合成器和跳频同步器。原理示意图如图 1 所示. 图 1 跳频通信系统原理示意图跳频通信系统的主要工作原理是[1]:在发送端，信息首先被调制到频率为 fs 的载波上， -1-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 得到带宽为 R 的调制信号。跳频序列从跳频频率表中取出频率控制码，控制频率合成器在不同的时隙内输出频率跳变的本振信号。用它对调制信号进行变频处理，使变频后射频信号频率按照跳频序列跳变，即为跳频信号。跳频信号带宽Ｗ与调制信号带宽Ｒ的比值（Ｗ/Ｒ）就是跳频通信系统的处理增益Ｇp 在接收端，与发射机跳频序列一致的本地跳频序列从跳频频率表中取出频率控制码控制频率合成器，使输出的本振信号频率按照跳频序列相应地跳变。跳变的本振信号，对接收到的跳频信号进行变频，将频率搬回到 fs 实现解跳。解跳后的调制信号，在本地载波作用下，经相干解调后，恢复出原基带信息。 2.2 原始蓝牙跳频序列跳频序列由本地时钟（实时 TOD 信息）和蓝牙设备地址（48b，其中 32b 有效位）通过首次相加、异或运算、换位操作、二次相加等处理方法产生，见图 2。生成的跳频序列对寄存器组寻址，从寄存器中取出跳频频率，得到跳频图案。图 2 蓝牙 79 跳系统常规跳频选择内核框图蓝牙跳频序列是用来控制载波频率跳变的伪随机序列,它控制信号在一个宽频带范围内所选择的某些频率上随机跳变。它的性能好坏对一个跳频通信系统的性能好坏有着决定性影响。Bluetooth 系统将 ISM 频段划分为 79 个带宽 1MHz 的频道(本文主要讨论 79 跳频系统), 载频间距 1MHz。它的信道采用跳频/时分复用方案,信道分为若干个 625μs 的时隙,正常跳频速率为 1600 跳/s,每个时隙对应不同的频道。在皮网(Pico net)信道上,跳频序列是由主设备参数来决定的。主设备的时钟用 28bit 表示,Bluetooth 时钟的最小单位是半个时隙 312.5μs。跳频序列由 Bluetooth 设备标志(主设备 Bluetooth 地址低比特部分 28bit)和主设备时钟的高 27bit 共同决定[2]。跳频算法的基本原理图如图 3 所示。 -2-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 3 跳频算法的基本原理图 3 改进的蓝牙跳频序列（自适应跳频）原始蓝牙跳频算法结构简单,性能优越,产生的频序列具有良好的均匀性和随机性,极大的提高 Bluetooth 系统的抗干扰能力。但是,由于在 2.4GHz 频段具有太多不可预测的干扰源, 跳频频率干扰频率发生碰撞的概率仍然不小。为了进一步提高 Bluetooth 的抗干扰性能和躲避干扰的能力,这里对该跳频算法提出了一种自适应的改进方案。改进方案的设计思想是:假设存在干扰频率 G，我们在当前的跳频时隙根据 Bluetooth 跳频算法得到下一时隙的跳频频率,并将该频率和干扰频率进行比较,如果两频率相等,就将下一时隙的跳频频率加上一个偏移量,使之跳离这个频段,这样当下一时隙到来时,该时隙的跳频频率就已经跳离了干扰频率,不会受到干扰;如果比较结果不相同,则不对下一时隙跳频频率作改动。在干扰频率不存在的时候,改进方案和原跳频方案一致[3]。改进跳频选择算法的内核如图 4 所示。 -3-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 4 改进跳频选择算法的内核图改进方案的具体实现思路如下:算法开始时,七位寄存器中的初始值为 0。利用跳频算法得到当前时隙跳频频率标号 f out 的同时,也根据相同的跳频算法得到下一时隙将使用的跳频频率标号 f out。将 f out 和七位寄存器中的值作加法运算,输出的 x out 就是当前时隙的最终跳频频隙,然后将当前时隙跳频频率标号 x out 映射到 79 跳频列表中。比较模块中的 G 是干扰频率 (在后面的仿真中,干扰频率将人为产生),用 7bit 二进制表示,如果没有干扰频率,开关置于位置 1,不用作比较运算,直接将 7bit 寄存器的值清零,如果有干扰频率,将开关置于位置 2,把 f out 和干扰频率值 G(用七位二进制数表示)进行比较,如果两个值相等,那么将寄存器的值设为 m(表示在下一时隙中,干扰频率将会产生干扰。设定一个偏移值 m,等下一时隙到来时,通过对下一时隙跳频频率的值加 m 来跳离这个会受到干扰的频段,本文中 m 取 32,如果不相等,那么将寄存器的值清零[4]。在下一时隙,同样也得到当时时隙跳频频率标号 f out 和下一时隙跳频频率标号 f out,和前面一个时隙的过程一样,首先将 f out 和寄存器中的值相加,如果寄存器的值为 m,说明在上一时隙的判断中已知 f out 会受到干扰频率的影响,将 f out 加 m 或减 m 跳离这个频段,然后将 x out 映射到跳频列表中;接着对下一跳频频率标号 f out 和干扰频率值 G 进行比较,根据比较结果设置寄存器的值。有时候干扰频隙可能不止一个,则可以设置多次比较,但比较的时间有限,要注意不能超过下一个分组到来的时刻,保证时隙的同步。 4.改进的自适应跳频序列性能分析 4.1 系统容量分析基于对不同Bluetooth微微网的相互干扰的考察,我们用Visual C++编程对Bluetooth跳频算法进行了仿真。我们设想的环境是在Bluetooth的传输距离(10 m左右)内重叠了许多相互独立的Pico net,这些Pico net彼此相互干扰,仿真考察的重点是Pico net间干扰及系统总容量(所有Pico net数据传输速率之和)和Pico net数量之间的关系[2]。在实际环境中,由于各个Pico net以及Pico net中的各 Bluetooth设备的相互距离不同,阻挡物也不同,因此相互干扰各相同。为了简化分析,假设各Pico net之间的相互干扰都足够大,一旦有2个Pico net同时在同一时刻使用同一频率,它们的相互干扰足以使这个时隙内发送的数据包传送失败。除了Pico net间的干扰之外,仿真没有考虑无线环境的 -4-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 其它干扰,以进一步简化分析。在仿真中,各Pico net中时隙的起始时刻是随机的(相对于基准偏移可为0.624μs),各Pico net的Bluetooth设备标志和相位(时钟)都是随机产生的,仿真时间为16 000时隙,即10 s。我们自定义了2种条件分别进行仿真:在条件一下只发送单时隙包,在条件二下发送单时隙包和5时隙包(它们的出现位置是随机的),两者发送比例大约为1∶1。因为Bluetooth的链路管理数据包都是单时隙包,所以不可能只传送多时隙包。设各Pico net的平均容量(即除去包头和接入码之外的净荷的传送速率)为C。在条件一下,单个Pico net的最大容量=384 kbps;在条件二下,单个Pico net的最大容量C″0≈790 kbps。设Bluetooth系统的总容量(即所有Pico net容量之和)为CN, 数据包传送成功率为ρ, Pico net数量为n。仿真结果如图5-7所示,图中实线代表条件一下的曲线, 虚线代表条件二下的曲线。图 5 n 和ρ的关系曲线 -5-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 6 n 和 C 的关系曲线图 7 n 和 C n 的关系曲线 -6-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 我们同时考察了在周围 Pico net 均符合条件一,只有一个 Pico net 符合条件二时的传输情况,仿真结果如图 8 所示。设 n 为符合条件一的 Pico net 数量, 图中实线代表所有 Pico net 的平均容量,虚线代表符合条件二的那个 Pico net 的容量。从图中可见当 n 较大时,这个 Pico net 的容量比其它 Pico net 小的多。图 8 在周围 Pico net 均符合条件一、只有一个 Pico net 符合条件二时的仿真结果 4.2 跳频序列均匀特性分析以 79 跳频系统的信道跳频序列为例来进行分析。信道跳频序列由主设备蓝牙地址低 28bit 码(设备标志)和主设备蓝牙时钟决定,可选取主设备蓝牙地址为 0x0003C92276E6(设备标志即为 0x92276E6),时钟初值随机产生[6]。假设在任一跳频时隙都存在干扰频率,干扰频率随机产生。通过编制 C 程序得到原跳频系统和改进后跳频系统的信道跳频序列。我们记录了原系统和改进系统的连续跳频频率标号值,对此进行统计分析,得出结论:序列有着很好的均匀特性,有实用的价值。横坐标表示 0~78 标号的跳频频率,纵坐标表示各个跳频频率出现的次数,从上图可以看出,不论是原系统还是改进系统中,每个跳频频率出现的次数相差很小,可见两个系统产生的序列都有很好的均匀特性,在跳频频点范围内,序列是遍历的。 4.3 系统抗干扰性能分析目前,对于跳频系统,不论军用还是民用,干扰(特别是定频干扰)一直是最令人头痛的事情之一。为此我们采用 MATLAB 分别对原来的跳频系统以及改进后的跳频系统进行了通信仿真,对变频干扰进行了系统模拟,由此来检验两个系统的抗干扰性能。 -7-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 仿真结果显示,对于变频干扰,改进系统相对于原有系统抗变频干扰能力有了很大的提高, 克服了大部分的干扰,平均误码率只有 0.002900,比原系统误码率减少了 55.39%。 5.结语蓝牙技术被认为是无线通讯近 20 年来最重要的进展,自发布以来,超过 1 100 家大公司成为 Bluetooth Special Interest Group(SIG)成员。本文对自适应蓝牙跳频系统的理论分析，可以看出，改进后的技术使蓝牙系统的抗干扰能力有了一定的提高。参考文献 [1]宋国森，姜霞，修国浩，自适应跳频技术在蓝牙系统中的应用及其性能分析[J]．北京电子科技学院学报 2003．12 35—37 [2]梅文化，跳频通信[M]．北京：国防工业出版社．276—318 [3]俞世荣，李源源。自适应跳频技术及其实现[J]．无线电工程 200K1)19—22，30 [4]杨光松，严嘉瑛，蓝牙中的自适应技术[J]．现代电子技术 2004 68—69 [5]朱刚.谈振辉.周贤伟蓝牙技术原理与协议 2002 [6]李金涛。[蓝牙自适应跳频技术的研究] 西南交通大学信息科学与技术学院 An improved algorithm for the Bluetooth frequency-hopping system Taiyuan university of technology information engineering college, Taiyuan (030024) Zhang Chan Abstract in introduces frequency-hopping sequences generated algorithm This paper the Bluetooth frequency-hopping system, and then put forward an improved adaptive frequency hopping scheme in order to avoid interference and improving the system anti-jamming capability, Finally, we have system simulation and performance analysis of the improved system of, results show that the improved frequency-hopping system greatly improved anti-jamming capability. Key words: Bluetooth ;frequency-hopping ;adaptive 作者信息: 张婵女汉族 1986 年 1 月 27 日出生就读于太原理工大学，现为信息工程学院通信与信息系统专业硕士研究生二年级学生 My name is Zhang Chan; I was born in January 27, 1986. I was studied in Taiyuan University of Technology, Information Engineering College. My major is Communication and Information System. -8-

资料库

蓝牙跳频通信系统仿真.pdf

相关推荐

课程资源

热门标签

最新资料