關(guān)于藍(lán)牙技術(shù)的抗電磁干擾性能的測(cè)試分析

廣東省電子電器研究所 袁妙玲

前言

藍(lán)牙技術(shù)在全球通用的頻段為2.4GHZISM，由于其頻帶范圍具有較強(qiáng)的公開性，使得其在使用過程中不可避免的要受到外部的電磁干擾，影響了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性，不利于藍(lán)牙技術(shù)的廣泛應(yīng)用。因此，探究藍(lán)牙技術(shù)的抗電磁干擾性能并提出改進(jìn)對(duì)策，具有重要的意義。

1 藍(lán)牙技術(shù)概述

藍(lán)牙是一種適用于設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞和共享。例如在移動(dòng)電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦及新興的隨身佩戴設(shè)備中應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳遞和共享。通過對(duì)藍(lán)牙技術(shù)的充分運(yùn)用，能夠有效提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，?jiǎn)化移動(dòng)設(shè)備間的通信流程，為無線通信的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。藍(lán)牙采用分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，其數(shù)據(jù)速率可達(dá)24Mbit/s。同時(shí)，藍(lán)牙技術(shù)采用時(shí)分雙工傳輸方案，能夠充分實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸，與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方式相比，具有較高的優(yōu)越性。

1.1 藍(lán)牙技術(shù)特性

藍(lán)牙技術(shù)是一種集低功耗、短距離數(shù)據(jù)傳輸和開放性特征為一體的無線通信技術(shù)，由英特爾愛立信、諾基亞、東芝、國(guó)際商用機(jī)器公司聯(lián)合發(fā)布。藍(lán)牙技術(shù)在對(duì)近距離、低成本無線傳輸技術(shù)進(jìn)行充分利用的基礎(chǔ)上，在固定設(shè)備和無線通信設(shè)備間建立了完整的短程無線連接站，能夠在特定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)際上，藍(lán)牙技術(shù)就是通過建立無線電和無線電空中接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件的有效控制，也就是說，藍(lán)牙技術(shù)就是計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的有機(jī)結(jié)合體。藍(lán)牙技術(shù)特性主要有以下幾點(diǎn)：1)低功耗；2)低成本；3)近距離；4)高安全性；5)實(shí)時(shí)性；6)高速跳頻。藍(lán)牙技術(shù)能夠在近距離內(nèi)以最低的成本將各種移動(dòng)設(shè)備、固定通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)及其它隨身佩戴設(shè)備以網(wǎng)狀鏈接起來，形成數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐鈬涌凇?/p>

1.2 藍(lán)牙技術(shù)的主要特點(diǎn)

第一，藍(lán)牙技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和科學(xué)領(lǐng)域的工作過程中采用開放的ISM頻段，工作范圍為2.4GHz到2.4835GHz，用戶在應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)的過程中無需向相關(guān)部門申請(qǐng)，為用戶提供了方便。第二，藍(lán)牙技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的短距離傳輸，其工作距離一般不超過10m，最大可增加至100m。通過拓展藍(lán)牙的工作范圍，能夠在確保數(shù)據(jù)傳輸速率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁干擾的有效抗擾，具有較高的安全性。第三，藍(lán)牙技術(shù)通過加大對(duì)跳頻和擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用力度，在2.4GHz到2.4835GHz頻段范圍內(nèi)通常劃分出79個(gè)頻點(diǎn)，采用快速跳率，數(shù)據(jù)傳遞的速度較之前顯著提升，抗干擾性能也更高。第四，藍(lán)牙技術(shù)采用時(shí)分復(fù)用多路訪問技術(shù)：將數(shù)據(jù)打包成數(shù)據(jù)包，以時(shí)隙為單位進(jìn)行傳送，通過這種方式，解決了無線通信中“碰撞”和“隱藏終端”的問題。

2 藍(lán)牙技術(shù)的抗電磁干擾類型

藍(lán)牙技術(shù)的電磁干擾類型主要包括抑制電磁干擾和避免電磁干擾兩種類型。避免電磁干擾是指通過降低各個(gè)單元之間的發(fā)射信號(hào)電平，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁干擾的有效避免，而抑制電磁干擾則需要通過擴(kuò)頻技術(shù)和重新編碼來實(shí)現(xiàn)。例如，在功率大于50dB和環(huán)境不同的情況下，為了確保藍(lán)牙技術(shù)的速率達(dá)到24Mb/s，僅僅依靠編碼技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)，由于電磁信號(hào)在較低功率的環(huán)境下干擾較為容易，因此，應(yīng)選擇功率較高的情況下發(fā)送。如果采用時(shí)間避免干擾法，一旦出現(xiàn)功率較強(qiáng)的電磁干擾，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的傳輸中斷，同時(shí)，由于部分無線通信設(shè)備受帶寬的影響較大，在2.4GHz到2.4835GHz之間，無線通信設(shè)備的帶寬為80MHZ，能夠找到無電磁干擾的頻譜，并采用濾波器對(duì)其進(jìn)行過濾，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁干擾的有效抑制。據(jù)此認(rèn)為，加強(qiáng)頻域避免干擾法在藍(lán)牙技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸過程中的應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩愿摺?/p>

3 藍(lán)牙技術(shù)的抗電磁干擾性能測(cè)試分析

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的短距離無線傳輸是藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用的根本目標(biāo)?，F(xiàn)階段，藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)憑借其傳輸速度高和簡(jiǎn)單方便的優(yōu)勢(shì)，在短程通信過程中得到了大量應(yīng)用，在家庭和辦公領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。但現(xiàn)階段，藍(lán)牙技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步提升，抗噪聲和電磁干擾性能還有待改進(jìn)。本次研究選擇家庭中常用的微波爐作為研究對(duì)象，其工作范圍為2.4GHZ，對(duì)藍(lán)牙通信技術(shù)抗干擾性能的影響因素進(jìn)行探究，報(bào)告如下。

3.1 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

本次研究以 LG公司生產(chǎn)的微波爐作為主要干擾源，該微波爐的工作頻率為2450MHZ。秒表作為時(shí)間測(cè)量工具，傳輸文件的大小主要為100K和1800K。

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

本次研究選用兩個(gè)大小不同的測(cè)試文件，分別為1800K和100K，在實(shí)驗(yàn)過程中，將藍(lán)牙收發(fā)之間的距離設(shè)為d1，干擾源和藍(lán)牙收發(fā)之間的距離為d2。研究干擾源與藍(lán)牙開放系統(tǒng)間距離不同情況下數(shù)據(jù)的傳輸速率。在測(cè)試干擾源對(duì)語音傳輸影響的過程中，主要依靠感官對(duì)語音失真情況進(jìn)行測(cè)試，其實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示：

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)本次研究結(jié)果進(jìn)行深入分析可知，該藍(lán)牙通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為科學(xué)和合理。在傳輸較小文件的過程中，干擾源對(duì)文件傳輸?shù)挠绊憥缀醪淮嬖?，在較大文獻(xiàn)的傳輸過程中，藍(lán)牙系統(tǒng)在距離干擾源最近的情況下，僅僅對(duì)傳輸速度和時(shí)間造成微小影響。在各種條件的正常情況下對(duì)語音傳輸進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示未出現(xiàn)語音失真現(xiàn)象。本次研究所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

同時(shí)，經(jīng)過本次測(cè)試分析也可得知，本次研究所選擇的干擾源——微波爐發(fā)射功率較小，這也是導(dǎo)致噪聲干擾對(duì)藍(lán)牙系統(tǒng)傳輸時(shí)間和速率影響不明顯的主要原因，但同時(shí)也證明了藍(lán)牙系統(tǒng)在家庭中的應(yīng)用具有較高的可行性，其抗干擾性能已經(jīng)足以滿足家庭對(duì)藍(lán)牙抗干擾性能的需求。但在工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用藍(lán)牙系統(tǒng)的過程中，干擾源的發(fā)射功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電磁爐，這對(duì)藍(lán)牙系統(tǒng)的抗干擾能力形成巨大挑戰(zhàn)。因此，為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的通信，還需要進(jìn)一步提高藍(lán)牙系統(tǒng)的抗電磁干擾性能。

4 提升藍(lán)牙技術(shù)抗電磁干擾性能的有效對(duì)策

4.1 工作頻段的干擾問題分析

藍(lán)牙系統(tǒng)在2.4GHZ工作頻段的電磁干擾問題主要有以下兩點(diǎn)：第一，源于藍(lán)牙系統(tǒng)內(nèi)部的電磁干擾。在設(shè)計(jì)藍(lán)牙內(nèi)部電路和接口的過程中，如果存在設(shè)計(jì)不合理的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致藍(lán)牙系統(tǒng)內(nèi)部的高頻電磁向外輻射，降低了藍(lán)牙系統(tǒng)內(nèi)部電路工作的穩(wěn)定性，不利于提升藍(lán)牙系統(tǒng)的傳輸速度。第二，來自現(xiàn)有業(yè)務(wù)的電磁干擾?，F(xiàn)階段，盡管高頻藍(lán)牙設(shè)備間的通信一般依靠跳頻和直接序列擴(kuò)譜實(shí)現(xiàn)，其發(fā)射功率也在國(guó)家允許的范圍內(nèi)，但受藍(lán)牙系統(tǒng)天線形式、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和增益指標(biāo)的影響，藍(lán)牙通信設(shè)備的調(diào)制方式、頻率和保護(hù)帶均具有顯著的差異。加上2.4GHZ頻段具有較強(qiáng)的開放性，頻段的使用情況較為復(fù)雜，增加了電磁干擾的來源。

4.2 解決方案

第一，針對(duì)藍(lán)牙系統(tǒng)內(nèi)部干擾，設(shè)計(jì)人員在改進(jìn)藍(lán)牙系統(tǒng)的過程中，應(yīng)注重提升藍(lán)牙系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的合理性，將電磁干擾最大化的降低。第二，針對(duì)來自現(xiàn)有業(yè)務(wù)的電磁干擾，設(shè)計(jì)人員需要基于安排無線業(yè)務(wù)進(jìn)行電臺(tái)頻率指揮的基礎(chǔ)上，著重對(duì)統(tǒng)一頻率藍(lán)牙系統(tǒng)之間的電磁干擾問題進(jìn)行研究，依靠跳頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁干擾的有效抵抗。例如，某設(shè)計(jì)人員針對(duì)電磁干擾問題，加強(qiáng)了自適應(yīng)跳頻技術(shù)在藍(lán)牙系統(tǒng)中的運(yùn)用，促使藍(lán)牙系統(tǒng)能夠在不同的情境下對(duì)自身的頻率范圍進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前電磁干擾的有效規(guī)避，提升跳頻的針對(duì)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁干擾的有效抵抗。通過應(yīng)用自適應(yīng)跳頻技術(shù)，能夠促使藍(lán)牙系統(tǒng)環(huán)境適用性的充分提升，在確保數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間和速率的基礎(chǔ)上，有效抵抗電磁干擾，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

綜上，通過對(duì)藍(lán)牙技術(shù)的抗電磁干擾性能進(jìn)行測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，干擾源的發(fā)射功率、藍(lán)牙系統(tǒng)內(nèi)部干擾以及現(xiàn)有業(yè)務(wù)會(huì)對(duì)藍(lán)牙系統(tǒng)的抗干擾能力產(chǎn)生一定影響。

5 結(jié)論

通過研究發(fā)現(xiàn)，干擾源的發(fā)射功率是影響藍(lán)牙技術(shù)傳輸速度的重要因素。因此，為了充分提升藍(lán)牙技術(shù)的抗干擾性能，應(yīng)不斷完善藍(lán)牙系統(tǒng)內(nèi)部和外部電路設(shè)計(jì)，加大自適應(yīng)跳頻技術(shù)的應(yīng)用力度，全面提升藍(lán)牙系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。

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