蓝牙跳频算法

蓝牙跳频算法

1. 引言

“蓝牙”，英文名称为“Bluetooth”，是一种开放性短距离无线通信技术标准。其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。它同IEEE802.11b一样，使用2.4GHz ISM（即：工业、科学、医学）频段。跳频是蓝牙的关键技术，对应于单时隙分组，蓝牙的跳频速率为1600跳/秒；对应于多时隙分组，跳频速率有所降低；但在建立链接时则提高为3200跳/秒。以2.45GHz为中心频率，来得到79个1MHz带宽的信道。在发射带宽为1MHz时，其有效数据速率为721kbps。

蓝牙跳频技术，是实现蓝牙扩谱的关键技术。由于2.4GHz ISM频段是对所有无线电系统都开放的频段，而蓝牙系统不是工作在该频段的第一个系统，大多数无线局域网、某些无绳电话以及某些军用或民用通信都在使用该频段，微波炉、高压钠灯的无线电波也在此频率范围之内，所以ISM频谱已变得相当拥挤而嘈杂，使用ISM频段的任何系统都会遇到干扰。蓝牙技术通过使用扩频的方式，使得系统所传输的信号工作在一个很宽的频带上，传统的窄带干扰只能影响到扩频信号的一小部分，这就使得信号不容易受到电磁噪声和其他干扰信号的影响，从而更加稳定。同时，蓝牙以跳频技术作为频率调制手段，如果在一个频道上遇到干扰，就可以迅速跳到可能没有干扰的另一个频道上工作；如果在一个频道传送的信号因受到干扰而出现了差错，就可以跳到另一个频道上重发，从而加强了信号的可靠性和安全性。

2. 蓝牙跳频算法

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。从通信技术的实现方式来说，“跳频”是一种用码序列进行多个频率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。

2.1 蓝牙跳频序列标准

蓝牙基带标准共定义了10种类型跳频序列，其中79跳系统和23跳系统各有5种类型（欧洲/美国使用的是79条系统，日本/法国/西班牙使用的是23跳系统）。呼叫（paging）跳频序列为32（16）个不同唤醒频率（不同的系统对应的频点数不同），均匀分布在79（23）MHz范围内，周期为32（16）。呼叫响应序列为32（16）个不同响应频率，与当前呼叫频率序列一一对应，主，从单元使用不同规则得到该序列。查询（inquire）跳频序列为32（16）个不同唤醒频率，均匀分布在79（23）MHz范围内，周期为32（16）。查询响应序列为32（16）个不同响应频率，与当前查询跳频序列一一对应。信道跳频序列，具有较长的周期，一段时间内跳频图案不出现重复，并且频点均匀分布在79（23）MHz范围内。

2.2 蓝牙选频方案

选频方案包括两部分：一是通过一定的跳频算法选择跳频图案。二是将跳频图案映射到跳频的频率值上。（2.402GHz----2.480GHz），每个跳频点之间的间隔为1MHz。蓝牙跳频算法的初始条件有两部分组成，一是主时钟的值。本地时钟与偏移量的值相加等于主时钟（CLK）。在蓝牙主设备中，本地时钟和主时钟的偏移量为0。二是地址位的输入，它由28位组成。不同状态下使用的地址不同。下图1，为蓝牙选频内核，其中，各个输入信号在不同的跳频系统或不同的状态下表示的含义不同。例如，79位的跳频系统在连接状态下，输入信号X表示主时钟的第2到6位，A表示主设备地址的23到27位，E表示主设备地址的第1，3，5，7，9，11，13位，Y1表示主时钟的第1位，B表示主设备地址的第19到22位，F值为0，Y2的值为32乘以主时钟的第一位，C表示主设备地址的第0，2，4，6，8位，D表示主设备地址的10到15位。

图1 蓝牙选择内核

如上图所示，跳频选择包括首次相加，异或运算，换位操作，二次相加，最后输出为7位并行信号组成的二进制序列，其值经过MOD79的操作，对寄存器操作，进行频率选择。在选择内核中，PERM表示换位操作。换位操作涉及从5位输入信号到5位输出信号间的交换位置（79条系统），或者是从4位输入信号到4位输出信号间交换位置（23条系统），交换方式由控制字控制。该操作包括七步蝶形操作。蝶形控制信号为P x其中P0-8对应上图的D0-8信号，Pi+9对应