蓝牙技术谈之调频技术（一）

跳频技术 (Frequency-Hopping Spread Spectrum； FHSS)在同步、且同时的情况下，接受两端以特定型式的窄频载波来传送讯号，对于一个非特定的接受器，FHSS所产生的跳动讯号对它而言，也只算是脉冲噪声。FHSS所展开的讯号可依特别设计来规避噪声或One-to-Many的非重复的频道，并且这些跳频讯号必须遵守FCC的要求，使用75个以上的跳频讯号、且跳频至下一个频率的最大时间间隔(Dwell Time)为400ms。

跳频技术引入的目的

随着数字移动通信网络的飞速发展，移动用户的急剧增加，那么网络中单位面积的话务量也在不断地增加。在某些大城市的市中心等繁华地段，在忙时甚至出现严重的话务拥塞情况，面对日益增长的话务需求，需要对网络进行扩容以满足容量和覆盖的要求。

在网络建设的初期，由于用户数量不多，因此网络规划中首先考虑的是覆盖问题，但是随着网络的不断扩容，覆盖的不断完善，我们发现容量问题成为制约网络进一步发展的瓶颈。对于我国现在采用的GSM网络由于受到频段的限制，在经过这么多年的快速扩容之后，容量上的限制表现得越来越明显。

对于网络扩容，通常我们可以采用以下几种方法：小区分裂，增加新的频段以及提高频率复用度来增加每个小区配置等方法。很显然在网络建设的初期通常采用小区分裂，通过不断增加新的基站（宏蜂窝和微蜂窝基站）来达到扩容的目的，但是随着站距的不断接近，我们发现网络的干扰也在不断的增加，因此当宏蜂窝基站的站距达到一定程度之后就很难在网络中增加新的基站。那么在这种情况下就出现了在GSM900网络的基础上引入GSM1800网络，通过引入这一新的频段来解决网络瓶紧问题，这也是我们现在所看到中国移动和联通公司在现网所采用的DCS双频网络。但是由于GSM900／GSM1800频段有限而且各个运行商所分配到的频率资源不同，而且考虑到引入双频网的成本很高，因此可以考虑通过在现有的GSM900单频网络或在引入GSM1800的双频网络中通过提高频率复用度，增加单位面积的容量配置来达到节省网络成本和提高容量的目的。通过引入跳频、功率控制、不连续发射等无线链路控制技术来达到扩容的目的。

跳频系统工作原理

 

跳频是最常用的扩频方式之一，其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，也就是说，通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。

  跳频通讯原理

从通信技术的实现方式来说，“跳频”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。其中：跳频控制器为核心部件，包括跳频图案产生、同步、自适应控制等功能；频合器在跳频控制器的控制下合成所需频率；数据终端包含对数据进行差错控制。

与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被截获。只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获我方的通信内容。同时，跳频通信也具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。由于跳频通信系统是瞬时窄带系统，它易于与其他的窄带通信系统兼容，也就是说，跳频电台可以与常规的窄带电台互通，有利于设备的更新。

 

我们大家都知道跳频技术是一种扩频通信技术，由于跳频技术具有通信的秘密和对抗干扰，因此它首先被应用于军事通信。但是随着移动通信的发展和数字化，跳频技术已在数字蜂窝系统中获得应用，我国所采用的GSM移动通信系统就采用了这种技术。

跳频是指载波频率在很宽频带范围内按某种图案（序列）进行跳变。信息数据D经信息调制成带宽为Bd的基带信号后，进入载波调制。载波频率受伪随机码发生器控制，在带宽Bss（Bss＞＞Bd）的频带内随机跳变，实现基带信号带宽Bd扩展到发射信号使用的带宽Bss的频普扩展。可变频率合成器受伪随机序列（跳频序列）控制，使载波频率随跳频序列的序列值改变而改变，因此载波调制又被称为扩频调制。

跳频系统的特点

跳频系统具有以下特点：

＊ 跳频系统大大提高了通信系统抗干扰、抗衰落能力；
＊ 能多址工作而尽量不互相干扰；
＊ 不存在直接扩频通信系统的远近效应问题，即可以减少近端强信号干扰远端弱信号的问题；
＊ 跳频系统的抗干扰性严格说是"躲避"式的，外部干扰的频率改变跟不上跳频系统的频率改变；
＊ 跳频序列的速率低，通常情况，码元速率小于或等于信息速率。在TDMA系统中，跳频速率往往等于每秒传输的帧数。GSM系统中每个时隙长576.9μs，8个时隙为一帧，因此帧的长度为4.615ms，每秒跳频为217次。

在GSM数字蜂窝系统中，跳频技术可以提高抗衰落、抗干扰能力。跳频技术对于静态或慢速移动的移动台具有很好的抗衰落效果，而对于快速移动的移动台由于同一信道的两个连接的突发脉冲序列其位置差已足以使它们与瑞利变化不相关，因此跳频增益很小，这就是跳频所具有的频率分集。由于跳频时频率在不停的变化，频率的干扰是瞬时的，因此跳频具有干扰分集。

 

常规跳频

通信收发双方的跳频图案是事先约好的，同步地按照跳频图案进行跳变。这种跳频方式称为常规跳频(Normal FH）。随着现代战争中的电子对抗越演越烈，在常规跳频的基础上又提出了自适应跳频。它增加了频率自适应控制和功率自适应控制两方面。在跳频通信中，跳频图案反映了通信双方的信号载波频率的规律，保证了通信方发送频率有规律可循，但又不易被对方所发现。常用的跳频码序列是基于m 序列、M序列、RS码等设计的伪随机序列。这些伪随机码序列通过移位寄存器加反馈结构来实现，结构简单，性能稳定，能够较快实现同步。它们可以实现较长的周期，汉明相关特性也比较好，但是当存在人为的故意干扰(如预测码序列后进行的跟踪干扰)时，这些序列的抗干扰能力较差。

 

蓝牙所采用的自适应调频技术

    蓝牙工作于2.4~2.48GHz ISM 频段，由于该频段频谱异常拥挤（11b/g，微波炉，无绳电话等），并且BlueTooth采用低功耗（-6~+4dBm）。因此为了避免频率的相互冲突，蓝牙采用了AFH（Adaptive Frequency Hopping）,LBT（Listen Before Talk）,功率控制等抗干扰措施。
    AFH 的实现过程为设备识别、信道分类、分类信息交换、自适应跳频。
1，设备识别：蓝牙设备之间进行互联之前，首先根据链路管理协议（LMP：Link Manager Protocol）交换双方之间的信息，确定双方是否均支持AFH模式，LMP信息中包含了双方应使用的最小信道数。此步骤由主机进行询问，从机回答。
2，信道分类：首先按照PLRs（Packet Loss Ratios）的门限制、有效载荷的CRC,HEC,FEC误差参数对每一个信道进行评估。从设备测量CRC时，也会自动检测此包的CRC，已决定此包的正误。然后主从设备分别按照LMP的格式形成一份分类表，之后主从设备的跳频会根据此分类表进行。
3，信道信息交换：主从设备会通过LMP命令通知网络中的所有成员，交换AFH的信息，信道被分为好信道，坏信道，未用信道。主从设备之间联系以确定那些信道可用，那些不可用。
4，执行AFH：先进性调频编辑，以选择合适的调频频率。由于环境中会存在突发干扰，所以调频的分类表需要进行周期性跟新，并且及时进行相互交流。
AFH 的结构：

蓝牙结构中在频率同步器和调频序列发生器中加入一个分组映射器（即自适应频率选择器）。 

 

原本用于军事和情报领域中的扩频技术被用于蓝牙通信，以保证其通信的抗干扰性和保密性。通过将窄带宽的信息经过调制和扩频，在接收端以约定好的方式解扩和解调，恢复原始信号，由于扩频会将干扰信号同时进行扩频，所以干扰信号的功率谱密度大大降低，而在解扩的时候又会被滤波掉，所以就将干扰信号的干扰强度大大降低，保证了蓝牙通信的抗干扰性和被窃听的可能。调制和解调采用通用的FSK方式，而扩频和解扩则采用事先约定好的伪随机扩频码序列。

由于扩频降低了信号的功率谱密度，所以被监听的可能也大大减小了，对其他窄带通信系统的干扰也很小。蓝牙采用跳频技术进行扩频，上述的伪随机扩频码序列在蓝牙技术内被称为跳频序列。蓝牙主设备决定跳频序列，从设备依照该序列以每秒1600跳的频率进行跳频。双方需要周期进行同步，以保证在可容许的误差内同时跳到相同的频率。