陈茂蓬射精控制法图片:蓝牙系统的无线性能与指标

蓝牙系统的无线性能与指标

一 引言

蓝芽的载频选用在全球都可用的２．４５ＧＨｚ工业、科学、医学（ＩＳＭ）频带，其收发信机采用跳频扩谱（ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＨｏｐｐｉｎｇ Ｓｐｒｅａｄ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）技术，在２．４５ＧＨｚ ＩＳＭ频带上以１６００跳／ｓ的速率进行跳频。依据各国的具体情况，以２．４５ＧＨｚ为中心频率，最多可以得到７９个１ＭＨｚ带宽的信道。在发射带宽为１ＭＨｚ时，其有效数据速率为７２１ｋｂｉｔ／ｓ，并采用低功率时分复用方式发射，适合３０英尺（约１０ ｍ）范围内的通信。数据包在某个载频上的某个时隙内传递，不同类型的数据（包括链路管理和控制消息）占用不同信道，并通过查询（ｉｎｑｕｉｒｙ）和寻呼（ｐａｇｉｎｇ）过程来同步跳频频率和不同蓝芽设备的时钟。除采用跳频扩谱的低功率传输外，蓝芽还采用鉴权和加密等措施来提高通信的安全性。

二 频段与信道安排

众所周知，兰牙系统的无线电频谱选择在2400-2483.5MHz的工科医频段。这一频段有两个突出特点，一是全球性，在世界各地都是可用的，几乎所有国家都是共同的，通过协调有望成为真正的全球性频段；二是开放性，尽管不同国家和地区有不同的管理规则，但大都不施行频率使用许可证制度。这些特点与兰牙系统极其广泛的应用目标是完全一致的，因而对兰牙技术的发展也十分有利。

然而，这一频段原本是分配给工业、科学、医疗方面使用的频段，近来世界不少国家又对商业应用开放，例如扩频微波中继通信系统。因此，兰牙无线电系统设计的最大挑战是，一方面能够承受其他应用所产生的强电磁干扰；一方面又能够保证不给其他应用造成不可承受的干扰。前者属于无线电通信系统的干扰抑制问题，已通过下面将要详述的跳频方式的宽带扩频技术（FH-WSS）得到解决。后者除了兰牙自身严格约束外，还涉及各国现行的无线电规则。虽说兰牙系统是旨在用以替代个人电器设备连接缆线的小范围无线电通信系统，但只要它在全球各地重重叠叠的应用，就必须同时满足各地的所有规则。

不论世界无线电行政大会通过的国际无线电规则还是各国施行的无线电规则，其本意是让各行各业公平的使用无线电资源，通过方方面面的协调，使广大用户在不相互干扰的条件下充分利用这一稀缺的资源。因此，各规则在工科医频段主要规定最大允许的发射功率、频率漂移和杂散发射电平。

f (k)

f (k)

f (k+5)

f (k+6)

图 4  多时隙分组的频率和定时特性

三 多址方案

工科医频段的无线电规则和缺乏协调的无线电环境，迫使人们精心选择兰牙系统的多址

方案。频分多址（FDMA）很有吸引力，因为信道正交性仅仅取决于收发信机的晶体振荡器的准确度，结合自适应和/或动态信道选择方式，可以避免干扰。不幸的是，单纯的FDMA方式不满足规则对ISM频段的杂散发射要求。时分多址（TDMA）为达到信道正交而要求严格的时间同步，对于具有多种拓扑结构和连接方式且重叠运行的兰牙系统，保持共同的时间基准是相当困难的。码分多址（CDMA）可以提供最佳的特性，但直接序列（DS）CDMA没有什么吸引力，因为克服‘远近效应’难题需要连续和精确的功率控制和/或很高的处理增益，为达到信道正交同样需要共同的时间基准。此外，传送速率越高，所要求的芯片处理速度越高，这不利于干扰抑制，还会使功耗加大。

    对于兰牙系统及其工作环境，跳频（FH）CDMA方式是最优选择。有用信号可以在整个ISM频段跳频，平均扩频带宽近80MHz，有很高的扩频增益；在每个跳频时隙的瞬时带宽仅为1MHz，从而避开了ISM频段的主要潜在干扰；各跳频载波是正交的，邻时隙的干扰可以用滤波方法有效的抑制。因为无线电规则不允许跳频序列的协调，所以各跳频序列不可能正交，但窄带同用户干扰主要表现为通信的瞬断，可以通过高层协议的各种措施加以克服。

兰牙系统采用载波间隔为1MHz的79个跳频载波的跳频方案，物理信道是标称跳频停留时间为625μs的跳频信道。业已定义了大量的伪随机跳频序列，每一皮网中具体使用的跳频序列由控制跳频信道的主机单元确定。主机单元的本地时钟还确定跳频序列的相位。各从机利用主机标识选择同一跳频序列，并将计算出的时间偏移参数加到各自的本地时钟，以便与特定的跳频序列同步。信道在时域划分为时隙，一个时隙的时长相应于一个最小跳频停留时间625μs。为了简化实施方案，采用时分双工（TDD）方式实现全双工通信。这意味着发信和收信在时间上是交替的，从而有效抑制了收发信机中收发信号之间的相互串扰，这对用单一芯片实现方案尤其重要。由于收信和发信工作在不同的时隙，所以也工作在不同的跳频载波。兰牙系统所采用的跳频/时分双工信道如图1所示。

t

F（k+2）

F（k+1）

F（k）

625μs

t

图1 兰牙系统的跳频/时分双工信道

应当指出，在多个皮网中，应使用具有不同跳频序列的不同跳频信道，它们的时隙定时也可能不一致。

四 调制解调技术

虽说兰牙系统的跳频范围很宽，但信号带宽却是受限的，仅为1MHz。为了可靠起见，

选用二元调制方式，因此数据速率也是受限的，约为1Mb/s。由于兰牙系统采用跳频方案，并支持脉动突发数据业务，采用非相干解调方式最为合适。所以，兰牙系统选择高斯滤波成形的最小频移键控（0.5GMSK）调制，其中0.5为高斯滤波器3dB带宽B与比特时长T的乘积。标称调制指数k=0.3，调制指数必须在0.28 与0.35之间。最大频率偏移应在140 kHz与175 kHz之间，以正频偏表示逻辑‘1’，负频偏表示逻辑‘0’。调制特性要求如图3-1所示。

理想过零交叉点点点dddddddddddddddddddddddd

F_t+ f_d

发送频率F_t

图2 实际的发送调制

兰牙已调信号的解调可以通过限幅器和FM鉴频器来实现，十分简单，而简单的调制解调方案可以大大降低无线电收发信机的成本。

五 干扰抑制性能

由于只要发射机满足规则要求便能进入工科医（ISM）频段，所以干扰抑制是十分重要的课题。ISM频段的干扰强度、范围和特性都是很难预测的，例如，当无线电发射机的发送功率在10dBm至30dBm范围内，不同通信系统便不能共用同一频段进行通信，因而协调也是不可能的。更大的难题是这一频段的大功率发射源，诸如微波炉和照明设备。按照规则，这些设备的发射功率和杂散发射功率都可以超过通信系统。除了上述外部干扰外，还必须考虑兰牙系统内用户之间的干扰。

干扰抑制技术分为两个方面，一是压低干扰，二是避开干扰。通常可以通过编码和直接序列扩频来压低干扰，但由于兰牙系统处于一种特殊的无协调的无线电通信环境，干扰和有用信号的动态范围都很大，再考虑到兰牙发射机的距离比、功率比引起的远近效应，以及高达1Mb/s传送速率，编码和扩频增益是远远不够的。相比之下，避开干扰更为可取，因为有用信号可以在有较低干扰或没有干扰的频率和/或时间段上传送。如果干扰是短脉冲而有用信号又允许瞬断，则可以选择时域避开的方法。然而，频域避开的方法更为实用，因为ISM频段有近80MHz带宽，而大多数无线电通信系统是带宽受限的，能够以较大概率找到没有太大干扰的频带。此外，滤波器可以压低频段其他部分的干扰，抑制度很容易达到50dB。有鉴于上述情况，兰牙选用了跳频方式的宽带扩频通信技术。

六 物理链路及其连接

如上所述，兰牙系统既支持语音一类的同步业务，又支持突发数据一类的异步业务。已经定义了两种物理链路：

l       面向连接的同步（SCO）链路

l       无连接的异步（ACL）链路

SCO链路是主机与单个从机之间的点对点的链路，通过预留双工时隙加以建立。ACL

链路是主机与皮网所有从机之间的点对多点的连路，可以使用信道上没有被SCO链路占用的所有其余时隙，ACL链路上的业务量由主机进行调度。皮网信道的时隙结构允许同步链路和异步链路的有效组合，图5是表示具有SCO和ACL链路组合信道的实例。

     SCO      ACL    SCO   ACL  ACL  SCO             SCO   ACL

主机

从机1

从机2

t

从机3

图5 在皮网信道上SCO链路与ACL链路组合的实例

八、         连接的建立

在兰牙系统中，连接建立是设计的关键问题，诸如，各单元间怎样相互发现对方，它

们之间如何建立连接。业已定义了三种方式：扫描、寻呼和询问。在空闲模式，为了节省电量，各单元大部分时间要进入‘睡眠’状态；但为了及时建立连接，每个单元需要频频地侦听其它各单元是否想要连接。在兰牙系统中，没有能够监听和接收寻呼消息的共用信道，这与传统的寻呼通信系统类似，而不同于通常的蜂窝移动通信系统。各单元需要周期性的‘醒来’，监测它们的标识，但兰牙系统不能使用明码的标识，而是使用由标识导出的接入码。每当一个兰牙单元醒来扫描时，首先打开它的滑窗相关器，该相关器与由它的标识所导出的接入码相符合，扫描窗大于10ms，每次醒来扫描不同的跳频载频。这是规则所要求的，不允许每次醒来总使用固定的频率扫描，自然，这也提供了必要的干扰抑制。兰牙单元醒来的跳频序列长度仅为32跳，并以32跳为周期进行循环，每次至少扫过79MHz可用频率的64MHz带宽。所有32个跳频序列对于每一兰牙单元都是随机的、独特的，并由它的标识码导出。扫描序列的相位由在该单元中自由运行的本机时钟确定。因此，在空闲模式期间，是本机时钟负责安排‘苏醒/睡眠’操作。应当指出，在空闲模式须在节省电量与应答延时之间进行权衡，增加‘睡眠’时间固然可以降低电量消耗，但会拖延成功接入的时间。想要接入的单元必须解决频率-时间上的不确定度，因为不知道空闲单元何时醒来，在哪个频率上醒来。由于各单元大部分时间处于睡眠状态，接入又需要消耗电量，解决这一不确定度的难题有意交给了始发或主叫的寻呼单元。

首先假设寻呼单元知道它所要连接的单元的标识，认为它知道空闲单元醒后的跳频序列，并能够产生用作寻呼消息的接入码。寻呼单元在不同频率上每1.25ms重复发送接入码两次，接着侦听应答两次，如图6所示。

             TX1      TX2       RX1      RX2      TX3      TX4

            f（k）    f（k+1）  f（k+2）  f（k+3）  f（k+4）   f（k+5）

t

             1.25ms

图6 兰牙寻呼单元的频率和定时特性

在按照空闲单元醒后跳频序列所选择的不同跳频频率上连续发送接入码，在10ms周期

中可以访问16个不同的跳频频率，这相当于半个扫频序列长度。在空闲单元的睡眠周期期间，寻呼单元依次在这16频率上发送接入码，如果空闲单元在这16个频率的任一频率上醒来，则它会收到该接入码，接踵进入连接建立程序。然而，由于寻呼单元根本不知道空闲单元正在使用的相位，空闲单元同样可以在32个醒来跳频序列的其余16个频率的任一频率上醒来。因此，如果寻呼单元在相应于睡眠时长的时间之前收不到来自该空闲单元的应答，则它会在其余半个序列的跳频载频上重复发送该接入码。因此最大延时为睡眠时长的两倍。在确定第二半序列的跳频载频时，寻呼单元应计及空闲单元的时钟也在前进，所以其余半序列与第一半序列有一个共同的载频。当空闲单元收到该寻呼消息后，它通过返回一个消息通知寻呼单元，该消息也是由空闲单元的标识导出的接入码。之后寻呼单元发送一个跳频同步（FHS）分组，它含有寻呼者的所有信息，如身份标识和时钟。而后这一信息由寻呼单元和空闲单元用来建立一个皮网，寻呼单元成为主机，使用它的标识和时钟定义跳频信道，而空闲单元成为从机。

上述寻呼过程是假设寻呼单元根本不知道空闲单元的时钟，然而，如果该两个单元以前有过会晤，寻呼单元便能够对空闲单元的时钟做出估算。当两单元连接时，它们交换它们的时钟信息，更新和存储它们各自自由运行的本机时钟的偏移。该偏移仅当连接期间才是准确的，当连接释放后，由于时钟漂移使该偏移信息变得不太可靠，其可靠性与从上一次连接释放后延续时间成反比。所以，寻呼单元可以利用存储的偏移信息估算空闲单元的相位。假设寻呼单元对空闲单元的时钟估算为k’ ，若f（m）为空闲单元醒后跳频序列在时间m的跳频载频，则寻呼单元会假设空闲单元在f（k’）的频率上醒来。但由于它在10ms时间可以扫过16个不同频率，所以它也会在f（k’）之前和之后的各跳频频率，即频率f (k’-8), f (k’-7) ,…f (k’) , fk’+1),…f (k’+7)上发送接入码，因此，寻呼单元中的相位估算可以偏移-8或+7，从而能够覆盖空闲模式单元的醒后跳频载频。在自由运行时钟准确度为±250ppm的条件下，该时钟估算在上次连接释放5小时之后仍是很有用的。在这种情况下，平均应答延时减小到睡眠时长的一半。

为了建立连接，需要用收方的标识来确定寻呼消息和醒后跳频序列，如果不知道这一信息，想要建立连接的单元可以广播一个询问消息，该消息会引起各收方返回它们的地址和时钟信息。利用询问程序，询问者可以确定皮网中有哪些单元，它们有什么特性。询问消息也是一个接入码，但它是从一个预留标识（询问地址）导出的，空闲单元也按照一个32-跳频的询问序列侦听询问消息，各收到询问消息的单元返回FHS分组，其中包括它们的标识和时钟信息。对于返回的FHS分组，使用了一种随机抵消机制，以防止多个收方同时发送。

在寻呼和询问程序期间，使用32个跳频载频的方式，而建立连接后的跳频方式，至少必须使用75个跳频载频。然而，在寻呼和询问程序期间，只有一个用做信令的接入码。这一接入码是作为直接序列码使用的，直接序列编码所获得的处理增益与从32-跳频序列所获得的增益相结合，可以提供足够的处理增益，以满足一些规则对DS/FH混合系统的要求。因此，在寻呼和询问程序期间，兰牙系统的工作如同一个DS/FH混合系统，而在连接期间则按纯FH方式工作。

七 跳频机制

兰牙采用一种特别的跳频选择机制，可以认为该机制是一个‘黑箱’，标识和时钟为输入，跳频载频为输出，如图7所示。该机制满足下列要求：

-         跳频序列由兰牙单元的标识选择，相位由兰牙单元的时钟选择；

-         跳频序列的循环周期长达23小时；

-         32连续跳频扫描约64MHz频谱；

-         平均等概率访问所有频率

-         跳频序列的数目很大；

-         通过改变时钟和标识所选的跳频立即改变。

                                            跳频选择

+

    本机时钟

                       偏移                   标识

图7 兰牙系统跳频选择的基本概念

应当指出，没有付出使跳频序列正交的很大努力，在仅仅79个跳频载频的条件下，正

交序列的数目极其有限。首要的要求是支持主机单元通过其标识和时钟规定跳频信道的皮网概念；其次的要求是当几个皮网靠近安排时防止干扰特性的重复，重复性的干扰有害于语音一类的同步业务；第三，要求跳频在很短时间段内尽可能大范围的扩频，以提供最大的干扰抑制，这对于语音业务是最为重要的，同时还对32跳频长度的醒后跳频序列和询问跳频序列提供良好的特性；第四，在更大的时间段，一些规则要求以等概率访问所有载频，由于许多皮网可以在同一区域共存，所以必须使用许多跳频序列，从排除了使用预存储序列的可能性，各序列需要用逻辑电路快速产生；最后，要求提供一种灵活性，通过时钟或前或后的运行，使各序列也前后移动，这对寻呼和询问程序是很有用的。此外，还应支持兰牙在各皮网之间跳动，也就是说，仅仅通过改变主机参数，即它的标识和时钟，一个单元便能够从一个皮网跳到另一个皮网，这一要求排除了算法使用随机存取存储器的可能，只能使用组合逻辑电路。

 跳频选择机制如图8所示。在第一方框，标识以伪随机特性选择一个32-跳频的子序

列，时钟的最低有效部分按照时隙速率（1600时隙/秒）跳过该子序列，于是第一方框在32跳频分段中提供一个指数（Index）。将该分段映射到一个79-跳频载频表，并将该载频表作如下方式安排，即偶数跳频载频排列在该表的上半部分，奇数跳频载频排列在下半部分，任意32个连贯表元的一段扫过大约64MHz。对于寻呼和询问程序，32-跳频段在载频表上的映射是固定的，当时钟工作时，会使用该同一个32-跳频序列和32个跳频载频，而不同的标识将映射到不同的段和不同的序列，所以不同单元醒后的跳频序列完全是随机的。在连接期间，时钟的更高有效位部分既影响序列选择又影响段的映射，即在32-跳频（1段）之后，该序列便被更换，并使该段向前方移动其长度的一半（16个跳频载频），使每个长度为32跳频的各段链接起来，对于每一新段，指数的随机选择也改变，各段滑过该载频表，平均以等概率访问所有的载频。改变时钟和/或标识将直接改变跳频序列和段的映射。

                           序列                 段                 载频表

0

78

1

3

                                         标识

77

          注：虚线表示仅在连接模式使用的时钟更高有效位部分。

图8 跳频选择机制

结束语