2.4GHzWiFi及蓝牙对ZigBee干扰分析.pdf
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科技探索争鸣科技视界Science&TechnologyVisionScience&TechnologyVision科技视界0引言随着无线通信技术的快速发展,尤其是短距离无线通信技术的迅猛发展,越来越多的无线通信技术应用设备出现在人们的日常生活中。
ISM2.4GHz是全球唯一公开的频段,在此频段上存在着大量的来自不同系统的信号,例如,微波炉、射频识别RFID(RFIdenfication)、无绳电话(CordlessPhone)、WLAN(IEEE802.11b/g)和WPAN(Bluetooth/ZigBee/WiMedia)等等。
日益增多的系统工作在同一频段,就会出现系统间相互干扰的问题。
其中ZigBee与WiFi和蓝牙之间的干扰尤其受到重视。
虽然WiFi、蓝牙同ZigBee相比,设计用途不同,且两个系统的技术发展比ZigBee技术早,但在近距离的日常应用中,很可能共存。
所以,研究ZigBee系统在受到来自WiFi以及蓝牙系统信号干扰时性能的变化是十分必要的。
1ZigBee概述11ZigBee技术概述在2000年12月,IEEE802.15工作组为了制定ZigBee技术标准,成立了第四个任务组TG4。
此技术的名字是根据蜂群所使用的通信方式ZigZag而起的。
IEEE802.15.4只是负责ZigBee技术中的低层协议,包括PHY层和MAC层。
数据链路层(DLL)、网络层(NWK)和应用编程接口(API)由ZigBee联盟来制定。
ZigBee技术采用双向通信,其特点是功耗低、成本低、延时短、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好以及安全性强。
从无线通信控制和自动化到日常生活设备、工业控制的装置甚至医用传感器中都有此技术。
此外,ZigBee技术还可以应用在许多的电子设备中,包括电脑外设、游戏机和玩具等,同时它还支持定位功能。
1.2ZigBee物理层规范IEEEE802.15.4-2003ZigBee物理层的主要功能如下1:
(1)激活/关闭无线发射机;
(2)能量检测(ED);(3)检测接收分组的链路质量指示(LQI);(4)空闲信道评估(CCA);(5)选择信道频率;(6)传输/接收数据。
1.2.1工作频段范围ZigBee在三个频段上分别采用的调制、扩频技术以及其他特性见表1。
表1频段和数据率1.2.2信道分配和数目ZigBee在三个频段上一共有27个信道,如图1所示。
其中,868.3MHz频段上有1个信道,编号0。
902928MHz频段上有10个信道,编号110。
其余16个信道分布在2.42.4835GHz频段上,编号1126。
这27个信道的中心频率定义如下:
Fc=868.3MPz,k0Fc9062(k1)MHz,k1,210Fc24055(k11)MHz,k11,12,26
(1)其中k表示信道号码。
图1ZigBee规范定义信道示意图1.2.3物理层的帧结构物理层的帧(PPDU)分组由以下三个部分组成,格式如表2所示:
(1)同步包头(SHR),主要是将接收设备所接收的信号进行比特流的锁定,并保持符号同步和码同步;
(2)物理层包头(PHR),1个字节中的低7位表示的是帧长度的信息;(3)物理层净载荷域(PSDU),它承载MAC子层帧(MPDU)。
表2PPDU分组格式2WiFi及蓝牙简介21WiFi(IEEE802.11b)概述相对于IEEE工作组所制定的其他技术标准,WiFi技术是生活中应用最多的一个。
其特点包括开发和运营网络的成本低,建立网络所花费的时间短,传输速率快,容易延展网络,组网非常灵活快捷。
在IEEE802.11b2定义的四种不同的数据速率中,不论是1Mbps、2Mbps、5.5Mbps还是11Mbps,信道带宽始终是20MHZ左右。
因此在2.4GHzISM频段上最多只能同时有3个信道不相互重叠。
22蓝牙(Bluetooth)概述蓝牙技术是一个在2.4GHzISM频段上进行无线数据和语音传输的规范。
它体积小,功耗低,成本低,可同时进行语音信号和数据的传输3,具有较强的抗干扰能力。
它可以代替有线电缆,应用在许多电子2.4GHzWiFi及蓝牙对ZigBee干扰分析胡思雨(中国电子科技集团公司第20研究所,陕西西安710068)【摘要】本文讨论了ZigBee与WiFi、蓝牙间的干扰问题,通过Matlab中的Simulink仿真,在给定的三个SNR的情况下,改变SIR值,根据得到的PER值,统计出WiFi及蓝牙对ZigBee系统的干扰影响,以及两者同时干扰ZigBee系统时,分析其系统性能。
【关键词】ZigBee;WiFi;蓝牙;干扰2.4GHzBetweenZigBeeandWiFiandBluetoothInterferenceAnalysisHUSi-yu(ChinaElectronicTechnologyGroupCorporationNo.20thResearchInstitute,XianShaanxi710068,China)【Abstract】ThispaperdiscussestheinterferenceproblembetweenZigBee、WiFiandBluetooth.ItisindicatedthatthroughthesimulationinSimulinkofMatlab,inthreecasesofgivenSNRvaluesandonlychangesthevalueoftheSIR.AccordingtotheacquiredPERvalues,theeffectsofZigBeesystemintherespectiveinterferenceofWiFiandBluetoothorbothofthemcanbecounted.ThentheperformanceofZigBeesystemcanbeanalyzed.【Keywords】ZigBee;WiFi;Bluetooth;Interference机械与电子128DOI:
10.19694/ki.issn2095-2457.2016.14.085科技视界Science&TechnologyVisionScience&TechnologyVision科技视界科技探索争鸣设备以及电子商务领域。
蓝牙选用时分复用技术来实现全双工通信,采用79个跳频频点,每秒1600跳,信道时隙是625s,采用高斯滤波的二进制频移键控(GFSK)进行信号的调制。
射频数据速率为1Mbps,信息以分组的形式进行传输,在一个分组的传输时间内射频频率保持不变4。
3ZigBee与WiFi及蓝牙系统间干扰研究31分析WiFi信号和蓝牙信号对ZigBee系统性能影响在ZigBee的数据传输中,其可靠性主要与两个要素息息相关:
一是,无线通信的PER;二是,与其他设备共享信道带来的相互干扰。
Zigbee的物理层在2.4GHz频段上有16个信道,每个信道的带宽是3MHz。
WiFi在2.4GHz频段上共有11个直扩信道,每个信道的带宽为22MHz。
对比IEEE802.11b(WiFi)和IEEE802.15.4(ZigBee)的信道算法,如图2和3,IEEE802.15.4的16个信道当中的第15、16、21、22信道落在了IEEE802.11b的三个信道间距上。
在间距上的能量相比信道内的能量要低很多,如果IEEE802.15.4用这几个信道传输信息,可以降低系统间的干扰。
如果WiFi系统在11个信道中的任意信道工作,它和Zigbee在传输时的信道重叠概率为l/4。
此时产生的带内干扰等同于有色噪声干扰,发生传输分组冲突。
图2IEEE802.11b信道选择图3IEEE802.15.4信道选择蓝牙传输采用79个随机频道中的一个,信道带宽为1MHz,而ZigBee信道带宽为3MHz,在间隔的频段上信号相当低,可以忽略,所以当蓝牙与ZigBee的所有信道都等概率工作时,信道重叠概率较低。
但是当两个信号使用同一频段时,会发生冲突干扰。
32ZigBee系统与WiFi、蓝牙间干扰评估方法ZigBee采用O-QPSK进行调制。
假定Eb为接收端所接收到的每bit信息的平均能量,N0为接收端所接收到的噪声的能量,并且假设信号传输的信道为加性高斯白噪声信道(AWGN)。
则根据5,令PB表示BER,PB可以被表示为:
PB=Q(2EbN0姨)
(2)其中,Q(x)为Q(x)12姨x乙exp(u22)du(3)这里可以用SNR的值来近似表示接收端每bit信息的平均能量与噪声能量的比值,由公式
(2),就得到了SNR与BER的对应关系。
如果假定在接收端准确地获得了每个bit信息的出错概率,根据每个数据包的字节数L,就可以计算出每个数据包被接收端成功接收的概率,就可以统计出PER的值。
为了化简计算的复杂度,本文做了一些理想化的假设:
(1)当ZigBee信号在没有WiFi和蓝牙信号干扰的情况下,经过信道,其中会有噪声,首先根据不同的SNR,检测ZigBee模型的性能。
(2)ZigBee的发送方和WiFi干扰源以及蓝牙干扰源之间的距离,相当于传播损耗,就可以转换成SIR(SignaltoInterference),即信号与所有干扰之比,所以本模型只考虑SIR。
(3)假定信号源和干扰源同时进行数据的传输,这会影响ZigBee链路进行通信。
综上所述,利用SNR来预测PER。
33仿真过程及结果分析1.在ZigBee系统模型中,没有WiFi及蓝牙信号干扰时,当信道中的其他条件为最佳情况,仅调节SNR的值,结果如图4。
当SNR小于等于-3dB时,ZigBee的接收端已经不能正确的接收发送端发送的信息。
当SNR大于等于1dB时,PER的值小于阈值1%,基本可以正确接收信息。
图4SER/PERunderAWGN所以,假设三个系统都在同一信道,在SNR不同的情况下,根据仿真结果观察ZigBee系统的性能变化情况,如图5、图6、图7。
图5AWGN=5dB时,不同干扰下的ZigBee性能图6AWGN=3dB时,不同干扰下的ZigBee性能图7AWGN=0dB时,不同干扰下的ZigBee性能(下转第135页)机械与电子129科技视界Science&TechnologyVisionScience&TechnologyVision科技视界科技探索争鸣的输出晶体管。
23电压测量电压测量电路除了VaV2外都采用了同样的设计。
23.1VaV2测量信号通过平衡输入缓冲放大器(放大倍数V=1)后,输入到一个fg=3Hz的三阶低通滤波器。
滤波器的放大倍数V=1,且在40Hz时最小衰减值大于60dB。
后级电路结合误差补偿调整将信号放大到10V,其放大倍数V=8.311.5。
之后通过缓冲器连接到以下四个电路:
中央控制系统(ECOS2)、顺序控制器、模拟参数显示和连在后面的马达控制器。
测量电路提供一个无缓冲的额外输出,送到模拟数据采集板YCS07上的屏耗(APD)监测电路。
在送往滤波电路的同时,还送往一个放大倍数V=5的无滤波功能的电路,该电路用于信号记录器,其信号直接从输入级之后取得。
23.2其它电压这包括了VdcFET,VaV1,Vg1V2,Vg2V2和Vspare。
信号通过平衡输入放大器(放大倍数V=1)后,输入到一个fg=4.8kHz的RC低通滤波器,用于抑制干扰。
并结合误差补偿调整将信号放大到10V,其放大倍数V=8.311.5。
之后通过缓冲器连接到以下四个电路:
中央控制系统(ECOS2)、顺序控制器、模拟参数显示和连在后面的信号记录器。
24水导测量被测值从电导测量元件获取,并提供冷却水电导的有关信息。
这一输入信号与电导计的电流输出相对应,其输入阻抗为1k。
这个测量电路也带有一个用于抑制干扰的RC低通滤波器。
25控制电路V-REF-RF-ATT和V-RE-AC-CTRL两个电路是作为发射机控制系统与外围设备之间的接口。
25.1V-REF-RF-ATT这个电路用来处理控制射频衰减器输出大小的控制电流值。
为此,来自马达控制器的控制电压“V-REF-RF-ATT”(10V)信号被成比例的转换成020mA电流信号。
控制电压在输入时被取半压并增加5伏,从而使电压范围在0到10伏之间。
同时将这一电压成比例的转换为电流信号“RF-ATT”。
用它来控制RF衰减器。
电压与电流存在以下对应关系:
U=10VI=0mA(射频封锁)U=10VI=20mA(射频允许)衰减器的控制由发射机控制系统通过“RF-ENABLE”信号来封锁或允许。
由顺序控制器控制的电压加到输入电路中,这样它的输入就是0V。
数字控制信号为0V对应射频封锁,5V对应射频允许。
输入设计成在任何干扰(=封锁)的情况下状态一直为0V的工作方式。
25.2V-REF-AC-CTRL电路实现10V电压的隔离传输,放大系数V=1。
信号经过一个放大系数V=0.1的高阻抗平衡输入放大器,送往放大系数V=1的缓冲放大器,在缓冲放大器的输入端装有一个用于偏移补偿的电位器。
在随后的输出放大器中电压会再被升到10V。
控制电压范围在0.25V到10V之间,去控制灯丝调压器控制器THYRO-P誖输出相应的电压,且必须从相应电源输出将信号反馈回来。
25.3电源该电路板需要下列电源电压:
15V直流电源,用于运算放大器。
5V直流电源,用于来自于瞬态检测器的故障显示。
输入电源在输入端通过各种电容来进行滤波,另外紧靠每个IC(集成电路)排列着一个100nF的电容。
电源电压的情况通过前面板的发光二极管来指示。
用于整个发射机控制系统的电池电压显示和监视(24V直流)也位于这块板上。
25.415V直流监测15V直流电源电压被监测是否欠压,以确保模拟参数测量的可靠性。
该电路在13.5V时反应并有一个0.5V的滞后。
两个比较器的输出信号通过另一个比较器合并为一个公共的故障信号。
信号通过一个晶体管级和瞬态检测器送到顺序控制器。
25.524VBatt直流监测电池电压被监测是否出现大于30V的过电压和小于20V及小于18V的欠压,然后这三个信号通过晶体管级分别送到顺序控制器。
“24V”电源指示发光二极管通过一个缓冲器直接从输入级对输入的24V进行检测指示。
平衡输入电路的放大系数V=0.4,以便处理板上最高为30V的直流电压。
输入电路部分在每个模拟接口(滤波墙)装有一个100k的电阻以保护印刷电路模块。
在这个输入级后并接有三个比较器并以晶体管驱动输出。
30V比较器的比较范围为32V,20V比较器的比较范围为19.7V。
电池会在电压降至18V以下时关闭,而在无负载时电压又会升高,因此18V比较器的滞后范围为4V以获得安全的关闭。
3小结500KW发射机自动化程度高,运行稳定,操作方便,自动化程度高,并能实现远程监控。
该机型在我局已经大范围普及,成为我局现在的主力机型,对该机型的维护成为技术工作的重点,系统的、熟练的掌握模拟信号的采集、分析和处理,会更加有利于我们日常的维护工作,使发射机长期的处于良好的工作状态。
更好的进行安全播音。
【参考文献】1THALES.TSW2500型发射机技术手册Z.2005.2国家广电总局无线局.现代广视无线传输发射技术丛书第一分册Z.2007.3焦索敏.数字电子技术基础Z.2012.4陈永强,魏金成,吴昌东.模拟电子技术Z.2013.责任编辑:
杨玉洁S(上接第129页)从图5、图6、图7可以看出,在SNR和SIR相同的情况下,WiFi信号对ZigBee系统的干扰小于蓝牙信号对ZigBee系统的干扰。
当SNR的值越来越小,即信道内噪声越来越大时,ZigBee系统要想在接收端接收到正确信息,需要更大的SIR值,即ZigBee信号的能量要远大于WiFi信号以及蓝牙信号的能量;若蓝牙信号和ZigBee信号信道重合,则会严重干扰ZigBee信号的性能。
当WiFi信号和蓝牙信号能量相同时,共同干扰ZigBee信号,ZigBee系统的性能严重下降。
4结束语基于以上的仿真研究,分析出WiFi系统和蓝牙系统对ZigBee系统的干扰影响。
由于蓝牙信号和WiFi信号的带宽及调制方式不同,对ZigBee系统的影响也不同;当两个干扰信号同时存在时,ZigBee系统的性能会严重下降。
从2004年ZigBee正式问世开始,国内外已有许多文章对这三个系统间的干扰共存问题进行了相关研究6-8,但仍然会存在一定的不完善。
因此,对以后的研究,应当不断探索新的方法,扩展理论基础,使ZigBee可以和同频段的其他系统更好的共存。
【参考文献】1董胜乾.基于无线网络的传感器系统设计研究D.西安:
西安电子科技大学,2008.2IEEE.WirelessLANmediumaccesscontrol(MAC)andphysicallayer(PHY)specifi-cations-Amendment2:
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1266-1275.责任编辑:
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