Автор работы: Пользователь скрыл имя, 03 Июня 2013 в 12:45, статья
Для начала позволю себе сказать несколько слов о тех преимуществах, которые мы получим в результате организации беспроводной сети. Соединив десктоп с сотовым телефоном, можно позволить себе многое — настроить автоматическую синхронизацию данных телефонной книги, календаря, списка назначенных заданий с соответствующей программой-органайзером на «большом» компьютере, выйти в интернет при помощи GPRS, использовать соединение для управления телефоном с ПК и наоборот.
Рисунок 3. Основные элементы при╦мопередатчика Bluetooth
Радиоблок выполняет преобразование FM-сигнала на частоте 2,45 ГГц в битовый поток и наоборот. Антенна - очень важный элемент системы. Антенна должна быть всенаправленной и иметь усиление 0 dBi, присутствие пользователя не должно влиять на распространение сигнала. Из-за маленькой длины волны на частоте 2,45 ГГц размер антенны ограничен несколькими см. В настоящее время чаще всего применяются плоские или PIFA антенны, однако предложены ещ╦ более миниатюрные конструкции E-типа на керамической подложке. Антенна дополняется полосовым фильтром, выделяющим частоту 2,45 ГГц из полосы ISM.
Чтобы реализовать простые и устойчивые при╦мники и некогерентное детектирование, Bluetooth использует двоичную частотную манипуляцию (ЧМ, FSK), с обкатыванием частотного скачка Гауссовым импульсом, со скоростью 1 МБит/с. Площадь такого сигнала BT = 0,5, где B - полоса, T - длительность импульса, при индексе модуляции от 0,28 до 0,35 и длительности импульса 1 мкс. ЧМ устраняет потребность в АРУ, которой трудно работать при переключениях частот, и когда данные поступают в неравномерных временных интервалах. Входная часть ВЧ-при╦мника состоит из преобразователя с понижением частоты, полосового фильтра канала и частотного детектора.
Фильтр канала выделяет полосу 1 МГц, и к нему предъявляются довольно высокие требования избирательности. Поскольку полоса ISM должна быть разделена с другими системами в данной полосе (среди которых могут быть и другие системы Bluetooth), должны быть приняты меры для предотвращения взаимодействия приборов. Обычно при╦мник Bluetooth строится с преобразованием частоты вниз (то есть когда зеркальный канал попадает в полосу ПЧ). Для развязки рядом работающих систем Bluetooth коэффициенты блокирования по зеркальному каналу должны быть 20, 30 и 40 дБ для первого, второго и третьего соседних каналов.
Из-за особенностей эксплуатации системы Bluetooth, технические требования к интермодуляции ж╦стче, чем к чувствительности при╦мника.
Чтобы перекрыть расстояние 10 м с выходной мощностью 0 дБм, достаточна чувствительность при╦мника Pмин = -70 дБм. С уч╦том уровня шума на входе при╦мника -114 дБм (в шумовой полосе 1 МГц) и требования на выходе при╦много тракта Km = 21 дБ, для обеспечения максимального коэффициента ошибок передачи информации BER = 0,1% получаем, что коэффициент шума равен 13 дБ. Эта величина рассчитывается из формулы для чувствительности
Pмин = -174 дБм + NF + 10lgB + a + Km, (1)
где -174 дБм - мощность теплового (kTB) шума в полосе 1 Гц в нормальной температуре; NF - коэффициент шума, дБ; B - полоса частот перед демодулятором, 1 МГц; a - порог срабатывания, a = 3 дБ; Km - коэффициент, зависящий от вида модуляции.
По сравнению с коэффициентом шума, достигнутым на сегодня, который значительно ниже 13 дБ, эта величина кажется довольно плохим значением. Однако, это невысокое требование позволяет использовать деш╦вые компоненты с потерями и обеспечивает защиту от мешающих сигналов (наводки в подложке и по разводке питания).
Верхнюю границу динамического диапазона можно оценить по уровню продукта интермодуляционных искажений 3-го порядка, если считать, что на входе действуют 2 сигнала с частотами двух соседних каналов.
Два сигнала с частотами f0 + f и f0 + 2 f производят продукт интермодуляционных искажений третьего порядка PIM3 в рассматриваемом радиоканале с частотой f0. Уровень мощности продукта PIM3 зависит от входного сигнала интерферирующей мощности Pin и нелинейного параметра всего при╦мника - точки пересечения третьего порядка IP3 - и равен:
PIM3 = 3Pin - 2IP3 [дБ]. (2)
Свободный от искажений динамический диапазон определяется из условия, что искажения линейного и нелинейного происхождения одинаково влияют на искажения в демодуляторе и одинаково ухудшают обнаружение собственного сигнала. Значит, чтобы BER не превысил то же самое значение 0,1%, которое задавалось при определении чувствительности, нужно, чтобы мощность принятого сигнала была на 3 дБ выше уровня шумов (что соответствует чувствительности при╦мника Pмин). Поэтому было получено IP3 = -16 дБм в выражении (2), при условии, что продукт интермодуляции PIM3 равен чувствительности при╦мника, два интерферирующих сигнала имеют мощности 0 дБм, и интерференция присутствует на расстоянии в 1 м.
Объединяя значение IP3 = -16 дБм с чувствительностью при╦мника Pмин = -70 дБм, из (1) и (2) получаем, что свободный от искажений динамический диапазон (SFDR) при╦мника Bluetooth должен быть равен
SFDR = 2/3(IP3 - (Pмин + 3 дБ)) = 50 дБ. (3)
Блок передатчика также довольно простой. Двоичная GFSK-модуляция получена прямой модуляцией ЧМ-гетеродина. Дополнительные фазовые преобразования с повышением частоты поэтому не нужны. Модулирующий сигнал фильтруется гауссовым фильтром, так чтобы сохранить ширину спектра 1 МГц, как требуется для FM-систем, работающих в полосе ISM на частоте 2,45 ГГц. Модуляция с гауссовой огибающей не предъявляет высоких требований к линейности выходного каскада передатчика, здесь могут использоваться экономичные усилители класса С.
Мощность передатчика Bluetooth около 0 дБм (допускается использовать максимальную мощность до 20 дБм). Для уровней мощности, превышающих 0 дБм, применяется регулирование мощности по замкнутому контуру.
Известно, что мощность радиосигнала в точке при╦ма Pn равна:
где Р - излучаемая передатчиком мощность; Gm - максимальный коэффициент усиления передающей антенны; Aэфф.м - максимальная эффективная площадь при╦мной антенны (пропорциональная геометрической площади антенны); F( , ) - функция диаграммы направленности передающей антенны; F'( ', ') - функция диаграммы направленности при╦мной антенны.
Из этой формулы можно получить максимальную дальность радиосвязи при условии, что антенны направлены друг на друга,
(4)
где Pn.min - чувствительность при╦мника, в нашем случае Pn.min = 10-10 Вт (-70 дБм).
Подставив в формулу (4) мощность передатчика P = 10-3 Вт, Gm = 0,5, Aэфф.м = 25╥10-6 (5 на 5 мм), получаем rm = 3 м.
Это значение приблизительно
соответствует требованиям
Bluetooth или блютус (/bluːtuːθ/, переводится как синий зуб, назван в честь Харальда I Синезубого[2][3]) — производственная спецификация беспроводных персональных сетей (англ. Wireless personal area network, WPAN). Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.
Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 200 метров друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.
Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG)[2][7], которая была основана в 1998 году. В неё вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Впоследствии Bluetooth SIG и IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1 (дата опубликования — 14 июня 2002 года). Работы по созданию Bluetooth компания Ericsson Mobile Communication начала в 1994 году. Первоначально эта технология была приспособлена под потребности системы FLYWAY в функциональном интерфейсе между путешественниками и системой.
Класс |
Максимальная мощность, мВт |
Максимальная мощность, дБм |
Радиус действия, м |
1 |
100 |
20 |
100 |
2 |
2,5 |
4 |
10 |
3 |
1 |
0 |
1 |
Компания AIRcable выпустила Bluetooth-адаптер Host XR с радиусом действия около 30 км.
Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4-2,4835 ГГц)[8][9]. В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты[10] (англ. Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование недорого.
Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду[7] (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса у́же — 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно.
Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «point-to-point», но и соединение «point-to-multipoint»[7].
Устройства версий 1.0 (1998) и 1.0B имели плохую совместимость между продуктами различных производителей. В 1.0 и 1.0B была обязательной передача адреса устройства (BD_ADDR) на этапе установления связи, что делало невозможной реализацию анонимности соединения на протокольном уровне и было основным недостатком данной спецификации.
В Bluetooth 1.1 было исправлено множество ошибок, найденных в 1.0B, добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI).
В версии 1.2 была добавлена технология адаптивной перестройки рабочей частоты (AFH), что улучшило сопротивляемость к электромагнитной интерференции (помехам) путём использования разнесённых частот в последовательности перестройки. Также увеличилась скорость передачи и добавилась технология eSCO, которая улучшала качество передачи голоса путём повторения повреждённых пакетов. В HCI добавилась поддержка трёх-проводного интерфейса UART.
Главные улучшения включают следующее:
Bluetooth версии 2.0 был выпущен 10 ноября 2004 г. Имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка Enhanced Data Rate (EDR) для ускорения передачи данных. Номинальная скорость EDR около 3 Мбит/с, однако на практике это позволило повысить скорость передачи данных только до 2,1 Мбит/с. Дополнительная производительность достигается с помощью различных радио технологий для передачи данных[12].
Стандартная (базовая) скорость передачи данных использует GFSK-модуляцию радиосигнала при скорости передачи в 1 Мбит/с. EDR использует сочетание модуляций GFSK и PSK с двумя вариантами, π/4-DQPSK и 8DPSK. Они имеют большие скорости передачи данных по воздуху — 2 и 3 Mбит/с соответственно[13].
Bluetooth SIG издала спецификацию как «Технология Bluetooth 2.0 + EDR», которая подразумевает, что EDR является дополнительной функцией. Кроме EDR есть и другие незначительные усовершенствования к 2.0 спецификации, и продукты могут соответствовать «Технологии Bluetooth 2.0», не поддерживая более высокую скорость передачи данных. По крайней мере одно коммерческое устройство, HTC TyTN Pocket PC, использует «Bluetooth 2.0 без EDR» в своих технических спецификациях[14].
Согласно 2.0 + EDR спецификации, EDR обеспечивает следующие преимущества: