蓝牙通信中误码率改进的算法设计

潘 宏，晏 华

(1.泸州医学院现代教育技术中心，四川泸州 646000;2.电子科技大学计算机科学与工程学院，四川成都 610000)

当前将私人计算机、家用照明及智能电器、智能水电煤表、报警系统连接而形成的系统称为家庭网络［1］。家庭网络不仅能在自己的家里形成智能联网，还能连接到智能小区里的网络，同时也能联网。随着科技的发展，无线网络一定会是家庭网络的最终表现形式［2－3］。而在家庭网络中，蓝牙较其他多种无线通信方式来说，是最合适的选择。蓝牙由于自身稳定的系统、简单易操作、造价低廉、开放性等特点，可以广泛地应用到各个领域［4－7］。所以，研究使用蓝牙作为通信方式的家庭网络是一项非常具有实际意义的课题，关系着提升整个居民的生活品质［8］。蓝牙采用了全球通用的2.4 GHz ISM频段，而这一频段全部的无线电系统都已开发，所以蓝牙在此频段工作时，会遭受较大的干扰。为了使链路不受干扰，能够平稳地工作，且能够尽可能地抵抗外界的干扰，蓝牙采取了快速跳频以及短包技术［9］。假如有来自外界的干扰频率与此刻的跳频频率恰好相等，那么会产生很大的干扰，而如今的跳频不能够自动地避开干扰。如果系统可以察觉出有干扰，同时还能够调整载波频率，该系统才能够避免干扰。笔者基于这一背景，进行了蓝牙通信中误码率改进算法内核的设计及性能对比研究，这一研究在保持了跳频序列较强功能的基础上显著降低了误码率，具有较强的实用及理论价值。

1 误码率改进算法内核的设计

1.1 内核系统的改进

由于蓝牙跳频算法的构架简单、功能强、能够生成较为均匀的跳频序列，很大程度上改善了蓝牙系统的干扰抵抗性。然而，在2.4 GHz频段中会有很多无法预估的干扰源出现，跳频频率会受到影响。想要提升蓝牙抵抗以及避开干扰的能力，下文对跳频算法做了优化，且具有自适应功能。

图1 算法内核改进方案

未优化算法采用图1中上半部分方案，即首先进行5位X与5位A的相加运算，并进行模32操作;然后将得到的数据与4位B进行异或运算;接着进行排列处理，排列处理由多层的蝶型运算组成，按照控制字的方法进行处理;最后将排列处理的结果加上一个常数，并且取模79，能够得到0～78的7位数fout，再把fout寻址存储在79跳频的寄存器组里。

本文的优化处理方法要尽量避免干扰频率，需要在未优化算法的基础上添加新模块。经过优化后算法的主要思想是:首先要把7位寄存器的初值赋零;通过跳频算法计算得出目前的跳频频率，记为f'out;然后把7位寄存器与fout进行加法运算，得到的结果xout即为此刻时隙最终数据结果，并且把其映射到79跳频列表里。在进行对比的模块里，这里的干扰频率记为G，按照7位二进制的方式进行表达。假如不存在干扰频率，将开关置1，此时无需进行比较操作，把7位寄存器的值全部清除。假如存在干扰频率，把开关置2，对与G作比较运算。当f'out与G的值相同时，寄存器赋值m，即前文所述偏移值，在文中设定m=32。当与G的值不同时，把寄存器值清空。下一个时隙出现时，同样可以得到当前时刻的跳频频率fout和下一时隙跳频频率。这个过程与之前的时隙是相同的，第一步也是把fout和寄存器中的值进行加法运算，若寄存器值是m，可表明前个时隙里已知fout受到干扰频率的干扰，把fout进行m的加法或者减法，使其避开该频段，把xout映射跳频列表里;然后把下一与G作对比，按照对比得出的结果进行设定寄存器值。干扰频率会出现2个或2个以上的情况，那么就应进行多次对比，由于时间的限制，要在下组出现之前完成，以确保时隙的一致性。

1.2 跳频序列算法

在全球通用技术标准中，蓝牙一共有10种可供选择的跳频。其中，有5种是应用在79跳频系统里，而剩下的5种应用在23跳频系统里。在这里，研究的是79跳频在连通之后形成的信道跳频序列，并且是基于蓝牙的跳频算法。蓝牙系统是把ISM频段按79个带宽以及载频间距均为1 MHz进行区分。蓝牙所用的信道是以跳频或时分联合的方式进行的。其信道分成的时隙为625 μs，一般跳频是每秒1 600跳，并且任意的一个时隙都对应不一样的频道。主设备的信息参数影响着跳频序列在匹克网信道上的关键因素。通常情况下，主设备所用的时钟是以28位数示意，蓝牙的时钟是取312.5 μs，即一个时隙的一半为其最小单位。蓝牙主设备的地址低28位和时钟地址高27位影响着跳频序列。跳频算法的基本原理图见图2。

图2 跳频算法

这里论述处理一个信道跳频序列的方式。首先从主设备79跳频以及地址高22位的时钟地址中选择不间断的32跳频段;然后将所有的27位时钟以及设备标识形成一个5位序号，取32跳频段里的其中一个，随意访问这些跳频点。依照偏移量在跳频段里选择其他的32跳频段，以此类推。跳频列表是寄存器，其中放置79个跳频频率的标号。首先把跳频列表里放置的全部偶数频率进行排序，再把全部的奇数频率按照顺序进行排序，最终得到的列表见图3。这样一来，32位的一跳频频段就可以把64 MHz的频带全部囊括，可以涵盖79 MHz带宽的80%以上。依照这种方式，能够划分228个跳频序列，是一个非常庞大的数据。完整的一跳频序列维持的时间有227×625 μs，约23 h。所以若几个匹克网都在同一区间里，那么跳频序列之间能够产生频率相撞的概率降低了很多，这样就能够达到蓝牙系统需要满足序列相关性的条件。需要对蓝牙设备标识以及时钟转换的时候，跳频序列会马上进行转换，十分简便快捷。

2 新旧系统对比仿真及性能分析

2.1 未改进系统算法内核的抗干扰性能

图3 连接状态时的跳频选择方案

第一步进行定频干扰下系统仿真，假如在任何时间系统所产生的干扰频率与幅度都是相同的，设定干扰频率与幅度分别为20与15，对系统进行105步跳变，其中每一步跳变需要一个跳频时隙时间，仿真结果见图4。

图4 定频干扰

图4a表示对系统可能会造成的干扰源，也就是Scope1波形图其中的一部分;图4b表示对系统造成的实际干扰，也就是Scope2波形图中的一部分，如果输入、输出信号差值为0，则表示这个时隙的干扰信号对系统没有干扰，同理，如果不为0，则情况相反。因此在定频干扰下，一般干扰都会影响到系统信号的传输，系统本身的抗干扰性除外。误码率可达到0.005 901，通过误码率计算器可以看到这个系统10 000步跳变下的误码率，同样可以获得下文中所涉及的误码率。接下来进行随机频率及幅度干扰下的系统仿真，假如在任何时间系统可随机产生79个跳频频率的干扰频率与幅度，对系统进行105步跳变，图5为仿真结果图。

图5 随机频率随机幅度干扰

随机频率随机幅度干扰与定频干扰图差不多，图5a表示对系统可能会造成的干扰，也就是Scope1波形图其中的一部分;图5b表示对系统实际造成的干扰，也就是Scope2波形图其中的一部分，如果对应输入、输出信号的差值为0，则表示这个时隙的干扰信号对系统没有干扰，同理，如果不为0，则情况相反。因此在变频干扰下，一般干扰都会影响到系统信号的传输，系统本身的抗干扰性除外。由仿真结果可知，变频干扰下，旧系统的误码率最高可以达到0.006 501，故传输精度极差。

2.2 改进系统算法内核的抗干扰性能

首先还是进行定频干扰下系统仿真，假如在任何时间系统所产生的干扰频率与幅度都是相同的，设定干扰频率与幅度分别为20与15，将新旧系统中的定频干扰频率设置成一样的，这样可以更好地对仿真结果进行对比，对系统进行105步跳变，仿真结果见图6。

图6 定频定幅干扰影响

图6b所表示的是对系统实际造成的干扰，可以看到在5 000～10 000步之间的跳变中，输入、输出信号的差值都是0，这就表明在以上时隙中，干扰信号并未对系统造成干扰。所以在同样的定频干扰下，新系统可完全不受干扰频率的影响，其抗干扰性有了很大的提升。接下来进行随机频率及幅度干扰下的系统仿真，仍然假如在任何时间系统可随机产生79个跳频频率的干扰频率与幅度，对系统进行105步跳变，图7为仿真结果图。

图7 随机频率随机幅度干扰影响

由仿真结果可以知道，在变频干扰情况下，新系统的抗变频干扰性能要远远优于原系统，可以抵抗大多数的干扰，平均误码率比较低，只有0.002 900，与原系统相比，其误码率有了约55.4%的下降。在此，有一点需要说明:根据制定的改进方案，可通过对下一时隙的跳频频率加某一偏移量就可以完全不受当前干扰频率的影响，但是存在这样的可能性，在下一时隙真的来临时，而干扰频率也正好发生改变，因为在仿真中干扰频率及其持续的时隙均是随机的，此时发生改变的干扰频率可能刚好影响到跳频频率，在这种情况下，该改进方案也就会没有了原有的用途。

2.3 系统误码率对比

最后再次比较两个系统的误码率，以进一步对新系统的抗干扰性能进行证明。图8为两路解调误码率的曲线图。

从图8中可以很明显地看到，新系统在定频干扰下可脱离干扰，数据传输准确无误，可消除误码情况。新系统在随机频率干扰下的误码率有了很大的降低，约为原系统的50%以上。

图8 原系统和改进系统的误码率比较

3 小结

众所周知，蓝牙系统的跳频算法构架并不复杂，生成的跳频具有较好的性能，符合系统要求，消除了系统工作环境出现的大量干扰。然而，2.4 GHz的频段会出现很多不能预估的干扰源，所以很容易出现跳频频率与干扰频率碰撞。为避免这种碰撞带来的干扰，本文做了优化措施以提升系统对干扰的抵御能力。经过研究分析可知，经过优化后的跳频序列一样符合蓝牙系统的要求。优化后的系统和传统的方法相比，误码率缩减了55.39%，使得系统的抵御干扰能力得到了很大的提升。这种方法简单易操作，不仅能够避免干扰，又保持了跳频序列的较强功能，在理论上、实际中都有重要意义。

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