短距离无线通信技术研究

短距离无线通信技术研究内容摘要：

、无线家庭网络、无线传感器网络等短距离无线网络中占据主导地位的物理层技术之一。 UWB的技术特点 (1)传输速率高，空间容量大 根据仙农 (Shannon)信道 容量公式，在加性高斯白噪声 (AWGN)信道中，系统无差错传输速率的上限为： 其中 ,B(单位 :Hz)为信道带宽 ,SNR 为信噪比。 在 UWB 系统中，信号带宽 B 高达 500MHz~。 因此，即使信噪比 SNR很低， UWB系统也可以在短距离上实现几百兆至 1Gb/s的传输速率。 例如，如果使用 7GHz带宽，即使信噪比低至 10dB，其理论信道容量也可达到 1Gb/s。 因此，将 UWB技术应用于短距离高速传输场合 第 11 页 共 49 页 中北大学 2020届毕业论文 (如高 速 WPAN)是非常合适的，可以极大地提高空间容量。 理论研究表明，基于 UWB 的 WPAN 可达的空间容量比目前 WLAN 标准 高出 1～ 2个数量级。 (2)适合短距离通信 按照 FCC 规定， UWB 系统的可辐射功率非常有限， ~辐射功率仅 ，远低于传统窄带系统。 随着传输距离的增加，信号功率将不断衰减。 因此，接收信噪比可以表示成传输距离的函数 SNRr(d)。 根据仙农公式， 信道容量可以表示成距离的函数： 另外 ,超宽带信号具有极其丰富的频率成分。 众所周知，无线信道在不同频段表现出不同的衰落特性。 由于随着传输距离的增加高频信号衰落极快，这导致 UWB信号产生失真，从而严重影响系统性能。 (3)具有良好的共存性和保密性 由于 UWB系统辐射谱密度极低 (小于 )，对传统的窄带系统来讲，UWB 信号谱密度甚至低至背景噪声电平以下， UWB 信号对窄带系统的干扰可以视作宽带白噪声。 因此， UWB系统与传统的窄带系统有着良好的共存性，这对提高日益紧张的无线频谱资源的利用率是非常有利的。 同时，极低的辐射谱密度使 UWB信号具有很强的隐蔽性，很难被截获，这对提高通信保密性非常有利。 (4)多径分辨能力强，定位精度高 由于 UWB信号采用持续时间极短的窄脉冲，其时间、空间分辨能力都很强。 因此， UWB 信号的多径分辨率极高。 极高的多径分辨能力赋予 UWB 信号高精度的测距、定位能力。 无线信道的时间选择性和频率选择性是制约无线通信系统性能的关键因素。 在窄带系统中，不可分辨的多径将导致衰落，而 UWB信号可以将它们分开并利用分集接收技术进行合并。 因此， UWB系统具有很强的抗衰落能力。 但 UWB信号极高的多径分辨力也导致信号能量产生 严重的时间弥散 (频率选择性衰落 )，接收机必须通过牺牲复杂度 (增加分集重数 )以捕获足够的信号能量。 这将对接收机设计提出严峻挑战。 在实际的 UWB系统设计中，必须折衷考虑信号带宽和接收机复杂度，得到理想的性价比。 (5)体积小、功耗低 第 12 页 共 49 页 中北大学 2020届毕业论文 传统的 UWB技术无需正弦载波，数据被调制在纳秒级或亚纳秒级基带窄脉冲上传输，接收机利用相关器直接完成信号检测。 收发信机不需要复杂的载频调制/解调电路和滤波器。 因此，可以大大降低系统复杂度，减小收发信机体积和功耗。 小结 由于 UWB传输速率快，体积小，功耗低，尤其是它精度高，保密性好，所以UWB 技术一直以来都是军方使用的作战技术之一，但由于 UWB 具有巨大的传输速率优势，同时受发射功率限制，在短距离范围通信标准比较 通过对这几种短距离无线通信技术标准的研究和比较，选择蓝牙技术设计一个用于鼠标、键盘、 USB 适配器的通信系统。 之所以选择蓝牙技术，是因为目前较成熟的短距离无线通信技术中， IrDA 红外传输虽然效率较高但穿透力差。 HomeRF 技术实现复杂，设备要求高。 ，但它专为数据传输设计不能直接提供语音服务，目前提供的带宽也比较有限。 相比较之下，蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别的连接。 同时它拥有跳频更快，数据包更短等优点，这是蓝牙比其它系统更稳定，蓝牙技术已经被广泛应用于计算机、手机、照相机、播放器、打印机等电子设备之间的数据传输与交换中，因此蓝牙技术的应用前景十分广泛。 第 13 页 共 49 页 中北大学 2020届毕业论文 3 射频技术和基带技术 射频 (Radio Frequency)技术和基带 (Baseband)技术是蓝牙技术的基础和核心。 如何正确地理解和掌握射频技术和基带技术是应用该技术的前提。 蓝牙技术研发和生产过程中的重要射频技术 概述 射频技术主要完成以下功能 : (1) 与工作同一频段的其它设备兼容； (2) 确保 QoS[3]。 蓝牙工作在无需申请的 ISM(工业、科学、医疗 )频段，采用跳频收发信机以减小干扰和衰减，采用二进制 FM调制以降低收发信机的复杂度，采用 TDD全双工方案以实现数据和语音的实时通信。 频 带和信道分配 蓝牙工作在 ，该频段范围为 :2400一。 蓝牙技术使用间隔为 1MHz的 79 个射频信道，如表 所示，低端和高端的保护频带分别为 2MHz和。 表 蓝牙射频信道 [4] 发射机特性 区分不同的蓝牙设备首先应该确定该设备的发射功率等级，不同的功率等级需要不同的射频解决方案。 根据天线连接处测得的发射功率大小，将蓝牙设备分为三类，如表。 表 蓝牙设备功率分类 [5] 第 14 页 共 49 页 中北大学 2020届毕业论文 1蓝牙设备， 10m通信距离表示 Class 2蓝牙设备。 一般蓝牙耳机、蓝牙鼠标、蓝牙车载免提等设备只需 Class 2 功率水平，对于蓝牙 USB 适配器可以设计Class1或者 Class 2功率水平，视应用场合而定，不同功率等级的蓝牙设备之间通信可能出现无法预料的问题。 Class 1 设备必需要实施功率控制，对发射功率大于 4Bdm，根据实时测量接收信号强度指示 (RSSI)数据比较功率控制表，以通知对方降低或者增加发射功率。 功率控制可 以优化功率消耗水平、降低相互干扰。 对发射功率低于 4dBm的 Class 2设备可以选择实施功率控制，同样可以优化功率消耗水平、降低干扰，当然可以不采取功率控制。 在连接状态、寻呼、查询等状态， Class 1和 Class 2蓝牙设备之间通信，可能由于 Class 1发射功率大、距离太近而使 Class 2设备无法正常接收数据。 在这种情况下，应将 Class 1设备功率水平控制在 Class 2水平，这一点也是蓝牙技术开发过程、调试过程中必须关注的问题。 一旦引入功率控制机制，蓝牙技术开发应用时需要定制功率控制表，向系统提供 一个步进规律，系统读取 RSSI值后，根据该表来通知对方加大或者降低发射功率、步进值等。 蓝牙技术对功率表步进值有明确的规定，最大 8dB，最小 2dB。 2．调制特性 蓝牙采用 GFSK(高斯频移键控 )调制技术，调制系数位于 ， 采用 1600hpo/s，即 ，用正频偏代表逻辑 1，负 频偏代表逻辑 O，从而实现频移键控技术。 蓝牙 RF 中重要测试指标为频率偏移 范围。 如图 GFSK 眼图参数，横轴为时间，纵轴为频率。 Transmit Frequency Ft(载 波 )表示 1600hpo/s的某一个跳频点， fd 标志逻辑 1或者 0的频率偏移， Zero Crossing表示过零点位置。 图 ： (1) 保证 Transmit Frequency Ft(载波 )稳定度，该稳定度有两个指标； (a)Initial Carrier Frequency孔 Tolerance，表示系统不发送数据分组时的载波稳定度，要求小于士 75KHz ； (b)Carrier Frequency Drift，表示发送数据分组时隙内的载波漂移，根据分组 第 15 页 共 49 页 中北大学 2020届毕业论文 长度不同有不同的要求，具体参数如表。 (2) fd正常范围为 145KHz~175KHz ； (3) Zero Crossing error低于 1/8符号周期。 表 Carrier Frequency Drift 图 GFSK 参数 3．杂散功率 蓝牙技术对射频信号带外噪声有明确的规定。 理论上要求载波在哪个频点，应该发射在哪个频点，但工程上是无法实现，不可能是纯粹的载波频率 信号，可能包含临近频段的信号，而该临近频段的信号可能对附近信道特性产生影响。 蓝牙系统对该干扰信号进行的参数限制为 :首先， 20dBm频带范围，即从最大功率值所在的频点分别从两端沿频谱走向减小 20dBm 后的确定两个频点位置，要求计算该两点间隔小于 1 MHz。 其次，对绝对功率水平有明确的定义，对于发射载波偏移 2MHz后的信号功率低于 20dBm，对于偏移大于等于 3MHz后的信号功率低于 40dBm。 接收机特性 蓝牙系统接收机灵敏度电平为 70 dBm，保证 BER≤%。 接收机特性主要从抗干 扰性能、抑制频带外噪声和互调特性三方面考虑。 分别通过 Sensitivityone slot packets(单时隙灵敏度 )、 Sensitivity multislot 第 16 页 共 49 页 中北大学 2020届毕业论文 packet(多时隙灵敏度 )、 Blocking Performance(抑制带外噪声性能 )、Intermodulation Performance(互调特性 )等项目来测试是否满足 BER≤%。 基带技术 蓝牙技术支持点对点和点对。