关于蓝牙技术的抗电磁干扰性能的测试分析

2018-04-26广东省电子电器研究所袁妙玲

电子世界 2018年7期

广东省电子电器研究所袁妙玲

前言

蓝牙技术在全球通用的频段为2.4GHZISM，由于其频带范围具有较强的公开性，使得其在使用过程中不可避免的要受到外部的电磁干扰，影响了数据传输的稳定性和安全性，不利于蓝牙技术的广泛应用。因此，探究蓝牙技术的抗电磁干扰性能并提出改进对策，具有重要的意义。

1 蓝牙技术概述

蓝牙是一种适用于设备短距离通信的无线电技术，能够实现数据的实时传递和共享。例如在移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑及新兴的随身佩戴设备中应用蓝牙技术，能够实现信息的实时传递和共享。通过对蓝牙技术的充分运用，能够有效提升数据传输的速度，简化移动设备间的通信流程，为无线通信的研究奠定了良好的基础。蓝牙采用分散式网络结构以及跳频扩频技术，支持点对点及点对多点通信，其数据速率可达24Mbit/s。同时，蓝牙技术采用时分双工传输方案，能够充分实现全双工传输，与传统数据传输方式相比，具有较高的优越性。

1.1 蓝牙技术特性

蓝牙技术是一种集低功耗、短距离数据传输和开放性特征为一体的无线通信技术，由英特尔爱立信、诺基亚、东芝、国际商用机器公司联合发布。蓝牙技术在对近距离、低成本无线传输技术进行充分利用的基础上，在固定设备和无线通信设备间建立了完整的短程无线连接站，能够在特定范围内实现数据的实时传输，实际上，蓝牙技术就是通过建立无线电和无线电空中接口，实现对软件的有效控制，也就是说，蓝牙技术就是计算机技术和通信技术的有机结合体。蓝牙技术特性主要有以下几点：1)低功耗；2)低成本；3)近距离；4)高安全性；5)实时性；6)高速跳频。蓝牙技术能够在近距离内以最低的成本将各种移动设备、固定通信设备、计算机及其它随身佩戴设备以网状链接起来，形成数据传输的外围接口。

1.2 蓝牙技术的主要特点

第一，蓝牙技术在工业领域、医学领域和科学领域的工作过程中采用开放的ISM频段，工作范围为2.4GHz到2.4835GHz，用户在应用蓝牙技术的过程中无需向相关部门申请，为用户提供了方便。第二，蓝牙技术能够实现数据的短距离传输，其工作距离一般不超过10m，最大可增加至100m。通过拓展蓝牙的工作范围，能够在确保数据传输速率的基础上，实现对电磁干扰的有效抗扰，具有较高的安全性。第三，蓝牙技术通过加大对跳频和扩频技术的应用力度，在2.4GHz到2.4835GHz频段范围内通常划分出79个频点，采用快速跳率，数据传递的速度较之前显著提升，抗干扰性能也更高。第四，蓝牙技术采用时分复用多路访问技术：将数据打包成数据包，以时隙为单位进行传送，通过这种方式，解决了无线通信中“碰撞”和“隐藏终端”的问题。

2 蓝牙技术的抗电磁干扰类型

蓝牙技术的电磁干扰类型主要包括抑制电磁干扰和避免电磁干扰两种类型。避免电磁干扰是指通过降低各个单元之间的发射信号电平，实现对电磁干扰的有效避免，而抑制电磁干扰则需要通过扩频技术和重新编码来实现。例如，在功率大于50dB和环境不同的情况下，为了确保蓝牙技术的速率达到24Mb/s，仅仅依靠编码技术难以实现，由于电磁信号在较低功率的环境下干扰较为容易，因此，应选择功率较高的情况下发送。如果采用时间避免干扰法，一旦出现功率较强的电磁干扰，会导致数据的传输中断，同时，由于部分无线通信设备受带宽的影响较大，在2.4GHz到2.4835GHz之间，无线通信设备的带宽为80MHZ，能够找到无电磁干扰的频谱，并采用滤波器对其进行过滤，实现对电磁干扰的有效抑制。据此认为，加强频域避免干扰法在蓝牙技术数据传输过程中的应用，数据传输的安全性更高。

3 蓝牙技术的抗电磁干扰性能测试分析

实现数据的短距离无线传输是蓝牙技术应用的根本目标。现阶段，蓝牙技术已经凭借其传输速度高和简单方便的优势，在短程通信过程中得到了大量应用，在家庭和办公领域具有较好的应用前景。但现阶段，蓝牙技术的数据传输稳定性还有待进一步提升，抗噪声和电磁干扰性能还有待改进。本次研究选择家庭中常用的微波炉作为研究对象，其工作范围为2.4GHZ，对蓝牙通信技术抗干扰性能的影响因素进行探究，报告如下。

3.1 实验仪器和设备

本次研究以 LG公司生产的微波炉作为主要干扰源，该微波炉的工作频率为2450MHZ。秒表作为时间测量工具，传输文件的大小主要为100K和1800K。

3.2 实验原理

本次研究选用两个大小不同的测试文件，分别为1800K和100K，在实验过程中，将蓝牙收发之间的距离设为d1，干扰源和蓝牙收发之间的距离为d2。研究干扰源与蓝牙开放系统间距离不同情况下数据的传输速率。在测试干扰源对语音传输影响的过程中，主要依靠感官对语音失真情况进行测试，其实验原理如图1所示：

图1 实验原理图

3.3 实验结果

通过对本次研究结果进行深入分析可知，该蓝牙通信系统的设计较为科学和合理。在传输较小文件的过程中，干扰源对文件传输的影响几乎不存在，在较大文献的传输过程中，蓝牙系统在距离干扰源最近的情况下，仅仅对传输速度和时间造成微小影响。在各种条件的正常情况下对语音传输进行测试，结果显示未出现语音失真现象。本次研究所获得的实验数据如表1所示。

表1 实验数据表

同时，经过本次测试分析也可得知，本次研究所选择的干扰源——微波炉发射功率较小，这也是导致噪声干扰对蓝牙系统传输时间和速率影响不明显的主要原因，但同时也证明了蓝牙系统在家庭中的应用具有较高的可行性，其抗干扰性能已经足以满足家庭对蓝牙抗干扰性能的需求。但在工业领域、医学领域和科学领域应用蓝牙系统的过程中，干扰源的发射功率远远高于电磁炉，这对蓝牙系统的抗干扰能力形成巨大挑战。因此，为了实现高质量的通信，还需要进一步提高蓝牙系统的抗电磁干扰性能。

4 提升蓝牙技术抗电磁干扰性能的有效对策

4.1 工作频段的干扰问题分析

蓝牙系统在2.4GHZ工作频段的电磁干扰问题主要有以下两点：第一，源于蓝牙系统内部的电磁干扰。在设计蓝牙内部电路和接口的过程中，如果存在设计不合理的现象，会导致蓝牙系统内部的高频电磁向外辐射，降低了蓝牙系统内部电路工作的稳定性，不利于提升蓝牙系统的传输速度。第二，来自现有业务的电磁干扰。现阶段，尽管高频蓝牙设备间的通信一般依靠跳频和直接序列扩谱实现，其发射功率也在国家允许的范围内，但受蓝牙系统天线形式、系统结构和增益指标的影响，蓝牙通信设备的调制方式、频率和保护带均具有显著的差异。加上2.4GHZ频段具有较强的开放性，频段的使用情况较为复杂，增加了电磁干扰的来源。

4.2 解决方案

第一，针对蓝牙系统内部干扰，设计人员在改进蓝牙系统的过程中，应注重提升蓝牙系统电路设计的合理性，将电磁干扰最大化的降低。第二，针对来自现有业务的电磁干扰，设计人员需要基于安排无线业务进行电台频率指挥的基础上，着重对统一频率蓝牙系统之间的电磁干扰问题进行研究，依靠跳频技术实现对电磁干扰的有效抵抗。例如，某设计人员针对电磁干扰问题，加强了自适应跳频技术在蓝牙系统中的运用，促使蓝牙系统能够在不同的情境下对自身的频率范围进行自动调节，实现对当前电磁干扰的有效规避，提升跳频的针对性，实现对电磁干扰的有效抵抗。通过应用自适应跳频技术，能够促使蓝牙系统环境适用性的充分提升，在确保数据传输时间和速率的基础上，有效抵抗电磁干扰，具有较高的应用价值。

综上，通过对蓝牙技术的抗电磁干扰性能进行测试分析发现，干扰源的发射功率、蓝牙系统内部干扰以及现有业务会对蓝牙系统的抗干扰能力产生一定影响。