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蓝牙跳频技术解决方案

原标题:蓝牙跳频技术解决方案

Bluetooth无线传输系统是一种自组网络系统,网络中不存在固定的基站或者网络中心来建立连接并维持网络同步。网络中各个设备地位是平等的,网络连接不需要管理员或用户的干预,可由各Bluetooth设备自动完成。

传统的自组网络一般是在一定范围内建立一个包含所有成员的网络,而Bluetooth可以在同一范围内同时建立几个甚至几十个相互之间没有任何同步和联系的网络(在Bluetooth中称之为微微网,即Piconet)。这些Piconet彼此之间不可避免地会相互干扰。另外,蓝牙使用的频段是2.4 GHz的ISM(即工业、科学、医学)频段(2400~2 483.5 MHz),是全球通用的免费频段,该频段中的各个部分都有可能遇到不可预测的干扰源(如微波炉、某些照明设备等),其它使用该频段的无线电系统(如802.11无线局域网等)也会引入比较严重的干扰,再加上不同Bluetooth微微网之间的相互干扰,Bluetooth的无线传输环境可以说相当恶劣。

避开干扰的一个方法是通过某种自适应算法找到ISM频段中未被严重干扰的部分,另一个就是采用扩频技术。Bluetooth技术采用的是跳频扩频技术,即FH-CDMA。在Bluetooth中,ISM频段被划分为79个带宽1 MHz的频道,载频间距1 MHz,彼此之间正交。跳频系统载频受伪随机码控制,不断随机跳变,可以看成载波按一定规律变化的多频频移键控(MFSK)。

从总体上总体上看,信号被扩展到一个很宽的频带,但在任一时刻只有一小段频段被使用,这样ISM频段的大部分干扰都可以用这种方法躲避。Bluetooth的各微微网的跳频序列彼此之间不正交,会产生短时干扰。

Bluetooth之所以不采用正交跳频序列,一方面是因为美国联邦通信委员会(FCC)不允许在ISM频段采用正交跳频序列,另一方面是各Piconet之间彼此没有联系,因而不可能同步。Bluetooth信道采用的是跳频/时分复用方案,信道分为若干个625μs时隙,每一个时隙对应不同的频率。

正常的跳频速率为1600跳/秒,每一个时隙可以传送一个单时隙数据包。传送3时隙和5时隙数据包时,跳频序列不变(即每时隙对应的载频与单时隙包相同),但在传送一个数据包的过程中载频不变,都使用和第一个时隙相对应的频道。

Bluetooth技术规范共定义了10种跳频选择方案,其中5种对应于79跳系统。跳频算法的主要指标如下:跳频序列由Bluetooth设备标志(主设备Bluetooth地址低位部分28 bit)决定,每个时隙的载频由该时隙的相位(即时隙号)决定。Bluetooth设备标志共28位,可以区分228个跳频序列,数量非常巨大。时隙号(相位)是27位的主设备CLK,一个完整的跳频序列持续的时间为227×625μs≈23 h。跳频序列中任意32个连续载频覆盖的范围至少达64 MHz,每个频率的访问机会都是相同的。

可见Bluetooth跳频序列数量巨大,而且每个序列都有较好的随机性。

更为重要的是,任意时刻的载频完全由Bluetooth设备标志和时钟决定,可以用组合逻辑电路实现,不需要进行存储,因此跳频序列实现简单。当Bluetooth设备标志和时钟切主要用途是对抗多径衰落。由于多径衰落的存在,使得同一个帧由于路径不同,到达用户端的时延有先有后。在相关的频域上的会造成子载波之间的相互干扰,影响性能。

另外,由于有了循环前缀,使得IFFT FFT操作把原来的线性卷积变成循环卷积,大大简化了相应的信号处理复杂度。不知道这么解释可以么?

2.比较详细的过程是:

OFDM信号发送器的原理是:用户信号以串行的方式输入发送器,速率为R码字/秒。这些码字先被送入一个串行-并行变换器中,使串行输入的信号以并行的方式输出到条线路上。这M条线路上的任何一条上的数据传输速率则为R/M码字/秒。

该OFDM码随后被送入一个进行快速傅立叶逆变换的模块,进行快速傅立叶逆变换。快速傅立叶逆变换矩阵可以把频域离散的数据转化为时域离散的数据。

由此,用户的原始输入数据就被OFDM按照频域数据进行了矩阵处理。计算出快速傅立叶逆变换样值之后,一个循环前缀被加到了样值前,形成一个循环拓展的OFDM信息码字。添加循环前缀技术利用的是离散线性系统原理中的一个概念。

我们知道,在连续时间域,两个时域信号的卷积就等于这两个信号频域形式的乘积。但是,这在离散时域的情况下一般是不成立的,除非使用无矩阵限大的样值点N或者至少一个卷积信号是周期性的(在该情况下,信号可以被圆周卷积)。

因为我们只能使用有限的样值点N,所以只能利用循环前缀使OFDM信息码在我们感兴趣的时间区内呈现周期性。循环拓展信息码的样值再次通过一个并行-串行转换器模块。然后按照串行的方式通过信道(经过适当的滤波和调制)。在传输过程中,信道的冲击响应对时域信号造成了干扰。

由于循环前缀使所传输的OFDM信号表现出周期性,这种卷积就成了一种圆周卷积。根据离散时间线性系统原理,这种圆周卷积就相当于OFDM信号的频率响应和信道频率响应的乘积。矩阵接收器完成与发送器相反的操作。接收器收到的信号是时域信号。

由于无线信道的影响发生了一定的变化,接收到的信号经过一个串行-并行的转换器,并且把循环前缀清除掉。清除循环前缀并没有删掉任何信息。循环前缀中的信息是冗余的。使用循环前缀是为了保证前面提到的卷积特性的成立。对于噪声干扰,要求在低信噪比或高误码率的信道条件下能实现跳频系统的正确同步。

对此,需考虑以下各点换时,跳频序列立即切换, 不同跳频序列间的切换极为方便且迅速。

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