藍牙技術談之調頻技術（一）

跳頻技術 (Frequency-Hopping Spread Spectrum； FHSS)在同步、且同時的狀況下，接受兩端以特定型式的窄頻載波來傳送訊號，對於一個非特定的接受器，FHSS所產生的跳動訊號對它而言，也只算是脈衝噪聲。FHSS所展開的訊號可依特別設計來規避噪聲或One-to-Many的非重複的頻道，而且這些跳頻訊號必須遵照FCC的要求，使用75個以上的跳頻訊號、且跳頻至下一個頻率的最大時間間隔(Dwell Time)爲400ms。

跳頻技術引入的目的

隨着數字移動通訊網絡的飛速發展，移動用戶的急劇增長，那麼網絡中單位面積的話務量也在不斷地增長。在某些大城市的市中心等繁華地段，在忙時甚至出現嚴重的話務擁塞狀況，面對日益增加的話務需求，須要對網絡進行擴容以知足容量和覆蓋的要求。

在網絡建設的初期，因爲用戶數量很少，所以網絡規劃中首先考慮的是覆蓋問題，可是隨着網絡的不斷擴容，覆蓋的不斷完善，咱們發現容量問題成爲制約網絡進一步發展的瓶頸。對於我國如今採用的GSM網絡因爲受到頻段的限制，在通過這麼多年的快速擴容以後，容量上的限制表現得愈來愈明顯。

對於網絡擴容，一般咱們能夠採用如下幾種方法：小區分裂，增長新的頻段以及提升頻率複用度來增長每一個小區配置等方法。很顯然在網絡建設的初期一般採用小區分裂，經過不斷增長新的基站（宏蜂窩和微蜂窩基站）來達到擴容的目的，可是隨着站距的不斷接近，咱們發現網絡的干擾也在不斷的增長，所以當宏蜂窩基站的站距達到必定程度以後就很難在網絡中增長新的基站。那麼在這種狀況下就出現了在GSM900網絡的基礎上引入GSM1800網絡，經過引入這一新的頻段來解決網絡瓶緊問題，這也是咱們如今所看到中國移動和聯通公司在現網所採用的DCS雙頻網絡。可是因爲GSM900／GSM1800頻段有限並且各個運行商所分配到的頻率資源不一樣，並且考慮到引入雙頻網的成本很高，所以能夠考慮經過在現有的GSM900單頻網絡或在引入GSM1800的雙頻網絡中經過提升頻率複用度，增長單位面積的容量配置來達到節省網絡成本和提升容量的目的。經過引入跳頻、功率控制、不連續發射等無線鏈路控制技術來達到擴容的目的。

跳頻系統工做原理

 

跳頻是最經常使用的擴頻方式之一，其工做原理是指收發雙方傳輸信號的載波頻率按照預約規律進行離散變化的通訊方式，也就是說，通訊中使用的載波頻率受僞隨機變化碼的控制而隨機跳變。

  跳頻通信原理

從通訊技術的實現方式來講，「跳頻」是一種用碼序列進行多頻頻移鍵控的通訊方式，也是一種碼控載頻跳變的通訊系統。從時域上來看，跳頻信號是一個多頻率的頻移鍵控信號；從頻域上來看，跳頻信號的頻譜是一個在很寬頻帶上以不等間隔隨機跳變的。其中：跳頻控制器爲核心部件，包括跳頻圖案產生、同步、自適應控制等功能；頻合器在跳頻控制器的控制下合成所需頻率；數據終端包含對數據進行差錯控制。

與定頻通訊相比，跳頻通訊比較隱蔽也難以被截獲。只要對方不清楚載頻跳變的規律，就很難截獲我方的通訊內容。同時，跳頻通訊也具備良好的抗干擾能力，即便有部分頻點被幹擾，仍能在其餘未被幹擾的頻點上進行正常的通訊。因爲跳頻通訊系統是瞬時窄帶系統，它易於與其餘的窄帶通訊系統兼容，也就是說，跳頻電臺能夠與常規的窄帶電臺互通，有利於設備的更新。

 

咱們你們都知道跳頻技術是一種擴頻通訊技術，因爲跳頻技術具備通訊的祕密和對抗干擾，所以它首先被應用於軍事通訊。可是隨着移動通訊的發展和數字化，跳頻技術已在數字蜂窩系統中得到應用，我國所採用的GSM移動通訊系統就採用了這種技術。

跳頻是指載波頻率在很寬頻帶範圍內按某種圖案（序列）進行跳變。信息數據D經信息調製成帶寬爲Bd的基帶信號後，進入載波調製。載波頻率受僞隨機碼發生器控制，在帶寬Bss（Bss＞＞Bd）的頻帶內隨機跳變，實現基帶信號帶寬Bd擴展到發射信號使用的帶寬Bss的頻普擴展。可變頻率合成器受僞隨機序列（跳頻序列）控制，使載波頻率隨跳頻序列的序列值改變而改變，所以載波調製又被稱爲擴頻調製。

跳頻系統的特色

跳頻系統具備如下特色：

＊ 跳頻系統大大提升了通訊系統抗干擾、抗衰落能力；
＊ 能多址工做而儘可能不互相干擾；
＊ 不存在直接擴頻通訊系統的遠近效應問題，便可以減小近端強信號干擾遠端弱信號的問題；
＊ 跳頻系統的抗干擾性嚴格說是"躲避"式的，外部干擾的頻率改變跟不上跳頻系統的頻率改變；
＊ 跳頻序列的速率低，一般狀況，碼元速率小於或等於信息速率。在TDMA系統中，跳頻速率每每等於每秒傳輸的幀數。GSM系統中每一個時隙長576.9μs，8個時隙爲一幀，所以幀的長度爲4.615ms，每秒跳頻爲217次。

在GSM數字蜂窩系統中，跳頻技術能夠提升抗衰落、抗干擾能力。跳頻技術對於靜態或慢速移動的移動臺具備很好的抗衰落效果，而對於快速移動的移動臺因爲同一信道的兩個鏈接的突發脈衝序列其位置差已足以使它們與瑞利變化不相關，所以跳頻增益很小，這就是跳頻所具備的頻率分集。因爲跳頻時頻率在不停的變化，頻率的干擾是瞬時的，所以跳頻具備干擾分集。

 

常規跳頻

通訊收發雙方的跳頻圖案是事先約好的，同步地按照跳頻圖案進行跳變。這種跳頻方式稱爲常規跳頻(Normal FH）。隨着現代戰爭中的電子對抗越演越烈，在常規跳頻的基礎上又提出了自適應跳頻。它增長了頻率自適應控制和功率自適應控制兩方面。在跳頻通訊中，跳頻圖案反映了通訊雙方的信號載波頻率的規律，保證了通訊方發送頻率有規律可循，但又不易被對方所發現。經常使用的跳頻碼序列是基於m 序列、M序列、RS碼等設計的僞隨機序列。這些僞隨機碼序列經過移位寄存器加反饋結構來實現，結構簡單，性能穩定，可以較快實現同步。它們能夠實現較長的週期，漢明相關特性也比較好，可是當存在人爲的故意干擾(如預測碼序列後進行的跟蹤干擾)時，這些序列的抗干擾能力較差。

 

藍牙所採用的自適應調頻技術

    藍牙工做於2.4~2.48GHz ISM 頻段，因爲該頻段頻譜異常擁擠（11b/g，微波爐，無繩電話等），而且BlueTooth採用低功耗（-6~+4dBm）。所以爲了不頻率的相互衝突，藍牙採用了AFH（Adaptive Frequency Hopping）,LBT（Listen Before Talk）,功率控制等抗干擾措施。
    AFH 的實現過程爲設備識別、信道分類、分類信息交換、自適應跳頻。
1，設備識別：藍牙設備之間進行互聯以前，首先根據鏈路管理協議（LMP：Link Manager Protocol）交換雙方之間的信息，肯定雙方是否均支持AFH模式，LMP信息中包含了雙方應使用的最小信道數。此步驟由主機進行詢問，從機回答。
2，信道分類：首先按照PLRs（Packet Loss Ratios）的門限制、有效載荷的CRC,HEC,FEC偏差參數對每個信道進行評估。從設備測量CRC時，也會自動檢測此包的CRC，已決定此包的正誤。而後主從設備分別按照LMP的格式造成一份分類表，以後主從設備的跳頻會根據此分類表進行。
3，信道信息交換：主從設備會經過LMP命令通知網絡中的全部成員，交換AFH的信息，信道被分爲好信道，壞信道，未用信道。主從設備之間聯繫以肯定那些信道可用，那些不可用。
4，執行AFH：先進性調頻編輯，以選擇合適的調頻頻率。因爲環境中會存在突發干擾，因此調頻的分類表須要進行週期性跟新，而且及時進行相互交流。
AFH 的結構：

藍牙結構中在頻率同步器和調頻序列發生器中加入一個分組映射器（即自適應頻率選擇器）。 

 

本來用於軍事和情報領域中的擴頻技術被用於藍牙通訊，以保證其通訊的抗干擾性和保密性。經過將窄帶寬的信息通過調製和擴頻，在接收端以約定好的方式解擴和解調，恢復原始信號，因爲擴頻會將干擾信號同時進行擴頻，因此干擾信號的功率譜密度大大下降，而在解擴的時候又會被濾波掉，因此就將干擾信號的干擾強度大大下降，保證了藍牙通訊的抗干擾性和被竊聽的可能。調製和解調採用通用的FSK方式，而擴頻和解擴則採用事先約定好的僞隨機擴頻碼序列。

因爲擴頻下降了信號的功率譜密度，因此被監聽的可能也大大減少了，對其餘窄帶通訊系統的干擾也很小。藍牙採用跳頻技術進行擴頻，上述的僞隨機擴頻碼序列在藍牙技術內被稱爲跳頻序列。藍牙主設備決定跳頻序列，從設備依照該序列以每秒1600跳的頻率進行跳頻。雙方須要週期進行同步，以保證在可允許的偏差內同時跳到相同的頻率。