藍牙跳頻算法的研究與仿真

黃 祥，劉曉東

（1.武漢郵電科學研究院 湖北 武漢 430027；2.武漢虹旭信息技術有限責任公司 湖北 武漢 430027）

藍牙跳頻算法的研究與仿真

黃 祥1，2，劉曉東1，2

（1.武漢郵電科學研究院 湖北 武漢 430027；2.武漢虹旭信息技術有限責任公司 湖北 武漢 430027）

為了實現藍牙跳頻方案，本文采用了研究相關原理并且著重分析藍牙Basic Hop Selection Kernel與Adapted Hop Selection Kernel這兩種選頻方案以及使用C語言代碼進行軟件仿真的方法，結合藍牙協議4.0版本中提供的Sample Data數據進行了實驗，得出最終的軟件仿真結果是正確的結論。

藍牙；選頻；算法；C

藍牙，是一種短距離無線通信技術，它的工作頻段處于世界開放的ISM頻段。在藍牙通信過程中，跳頻技術作為藍牙的關鍵技術，主要目的就是為了用來增強藍牙通信的抗干擾能力。其頻率均勻分布在2.4～2.483 5 GHz這個頻段內，總共包含79個頻點［1］。跳頻技術通過兩個方面來提高藍牙通信的抗干擾能力：首先，將傳統的窄帶通信擴頻到一個很寬的頻帶上，這就使得信號不容易受到其他信號的干擾；其次，跳頻技術使兩藍牙設備在通信的過程中使用的頻點不斷的發生跳變，并不是一直使用一個頻點通信，這樣一來，一旦哪一個頻點受到干擾，就可以馬上跳到另外一個頻點上，這樣就避免了由于頻點干擾帶來的差錯。在BR/EDR版本的藍牙協議規范中，總共包括兩種選頻方案，分別為 Basic Hop Selection Kernel與Adapted Hop Selection Kernel這兩種［2］。本文就是在研究了這兩種選頻方案的基礎上，使用C語言代碼軟件仿真出這兩種選頻方案。

1 藍牙跳頻算法的研究

跳頻的工作原理是指收發雙方傳輸信號的載波頻率按照相同的規律進行不斷變化來通信的通信方式。也就是說，收發雙方所采用的載波頻率是一起同步變化。從時域上來看，是一個多頻率的頻移鍵控通信，從頻域來看，是在一個很寬的頻帶上以不等的間隔隨機的進行跳變。

1.1 藍牙跳頻序列標準

我國采用的是79跳的系統，這里就只介紹79跳系統對跳頻序列的標準定義。信道跳頻序列具有較長的周期，一段時間內跳頻圖案不出現重復，并且均勻的分布在79 MHz的范圍內［3］。

1.2 Basic Hop Selection選頻方案

藍牙選頻方案包括兩大部分：一是通過一定的跳頻算法得到一個跳頻序列，二是將跳頻序列映射到具體的頻點上。整個過程是在選頻內核中實現的，在實現選頻算法的時候，跳頻算法的初始條件包括兩部分：時鐘值與輸入地址。這兩個初始條件對于不同的狀態所選取的具體值是不一樣的。本文中是為了實現Basic Hop Selection Kernel與Adapted Hop Selection Kernel這兩種選頻方案，而這兩種選頻方案只是在連接狀態才會有區別，所以，選頻初始條件中，所選擇的時鐘值與地址輸入是在主從設備已經建立連接的狀態下。在連接狀態，選頻內核輸入的時鐘是主設備的時鐘，輸入的地址是主設備的地址，具體的相應位會在后面介紹。下圖是Basic Hop Selection Kernel選頻內核的方框圖［4］：

如圖1中所示，Basic Hop Selection選擇內核包括第一次相加、異或運算、換位操作、第二次相加，最后輸出對寄存器操作進行頻點選擇。當然，本文中針對的是連接狀態的頻點選擇，所以，選頻內核相關的輸入參數都是在連接狀態的。具體的輸入在協議4.0上面有詳細的描述。

圖1 藍牙Basic Hop Selection選擇內核Fig.1 Bluetooth Basic Hop Selection select kernel

下面，對選頻內核中主要的兩個過程加以闡述。

1.2.1 異或運算

第一次相加再進行mod運算以后得到的5位數據與輸入參數B的4位數據進行異或運算得到5位的輸出數據，假設第一次相加得到的結果為Z’0到Z’4，經過異或運算以后輸出結果為Z0到Z4，又由于B的輸入為設備地址的19到22位，設為A22-19，那么，該異或運算的原理圖如下［4］：

圖2 異或運算原理圖Fig.2 The Schematic of XOR

如圖2所示，對應的輸入與輸出的關系如下：

第一次全國水利普查主要包括河湖基本情況普查、水利工程基本情況普查、經濟社會用水情況調查、河湖開發治理保護情況普查、水土保持情況普查及其他普查等內容。主要是收集我國河流、湖泊、流域的水資源與水文特征，河湖的利用與保護情況，水利工程的數量、分布、規模、效益，社會經濟用水及其水環境，水土流失與水土保持措施的特點、分布、數量，以及進行水利行業能力建設情況、灌區專項、地下水取水井專項普查等。

Z0=A19 xor Z’0；

Z1=A20 xor Z’1；

Z2=A21 xor Z’2；

Z3=A22 xor Z’3；

Z4=Z’4。

1.2.2 換位操作（PERM5）

在選頻內核中，換位操作是根據控制字P來對輸入的5位數據進行相關的互換位置的操作。在選頻內核中，D0～D8對應控制字P0～P8，而P（i+9）對應于選頻內核中的Ci xor Y1，其中i為0到4。下表為相應的控制字以及對應的交換操作［4］：

表1 換位操作的控制Tab.1 Transposition operation control

1.2.3 頻點映射

在最后一步，運用前面所有運算的最后結果從存放頻點的寄存器中尋址找到計算得到的相應頻點。頻點在寄存器中的存儲方式是偶數頻點放在前面，奇數頻點放在后面，并且都是升序的形式。

1.3 Adapted Hop Selection選頻方案

Adapted hop selection選頻 方 案 是 基 于 Basic hop selection選頻方案的基礎上進行的，產生頻點的運算內核是一樣的。唯一的區別在于，當主從設備的AFH_mode的值設為1的時候，也就是說主從設備的自適應跳頻功能都使能的時候，雙方會通過AFH_channel_map信息定義哪些信道可用，哪些信道不可用。然后，當通過Basic hop selection選頻內核計算出一個頻點后，會通過查詢前面建立的頻點列表，看看這個頻點是否可用，如果該頻點可用，那么直接將該頻點運用到下一個時隙，如果該頻點不可用，那么會經過頻點重定位功能模塊，將改頻點重新映射到可用頻點中去［4］。下圖是Adapted hop selection選頻方案方框圖：

圖3 Adapted hop selection選頻內核Fig.3 Adapted hop selection frequency selection kernel

如圖3所示，Adapted hop selection選頻方案比Basic hop selection選頻方案就是多了一個Re-mapping Function的功能模塊。該模塊中，計算K’的計算公式如下：

EQ1中，F’的定義為主設備時鐘的7到27位對應的值乘以16以后再與N進行mod運算所得到的結果；N代表的是根據AFH_channel_map信息中的值定義的可用信道的數量；其他變量的定義與Basic hop selection選頻方案中的定義完全一樣。在Re-mapping Function的功能模塊中的Mapping Table是根據FH_channel_map信息中的值定義的可用信道編號，也是按照偶數頻點在前，奇數頻點在后，并且是升序的規定進行存儲頻點號的。

2 藍牙選頻算法的C語言實現

在使用C語言實現藍牙選頻方案的時候，本文分別實現了Basic Hop Selection與Adapted Hop Selection這兩種選頻方案。并且，這兩種方案的實現是集合在一個實現代碼中，只是在分別實現的時候要進行相關的選擇設置。同時，在進行結果驗證的時候，采用的對比數據是 BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.0協議中P1236頁的Sample Data提供的相關條件以及頻點結果［5］。

1）C語言程序流程圖

C語言程序流程圖如圖4所示。

圖4 C語言實現流程圖Fig.4 C language implementation flow chart

圖5 AFH功能使能時選頻結果對比Fig.5 AFH selected frequency results contrast

2）代碼運行結果與協議中提供的數據對比

如圖5所示，當AFH功能使能的時候，C語言實現的頻點選擇與協議中提供的頻點結果的對照［6］。可見，C語言實現的頻點選擇與協議中提供的頻點結果是一致的［7］。

3 結束語

藍牙選頻算法在實際應用中是通過硬件電路實現的，本文的設計是通過對藍牙兩種版本的選頻方案進行分析［8］，然后通過C語言進行軟件仿真［9］，最后得到的結果與協議中提供的數據進行對比，每一個頻點都是一一對應的。本文的研究對實現藍牙通信的同步是很有指導意義的，并且是軟件實現，可移植性比較強。

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The study and simulation of bluetooth frequency hopping algorithm

HUANG Xiang1，2，LIU Xiao-dong1，2
（1.Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications，Wuhan 430027，China；2.Wuhan Hongxu Information Technologies co.，LTD，Wuhan 430027，China）

In order to achieve the Bluetooth frequency hopping scheme，In this paper，adopting methods to Research relevant principles and Analysis the Bluetooth Basic Hop Selection Kernel and Adapted Hop Selection Kernel Both frequency selection scheme and Use the C language code for software emulation，Combined with Bluetooth 4.0 protocol Sample Data provided experimental data，Arrive at a final software simulation results are correct conclusion.

bluetooth；frequency selection；algorithm；C

TN918.91

A

1674－6236（2016）04-0111-03

2015-04-02 稿件編號：201504014

黃 祥（1988—），男，湖北安陸人，碩士研究生。研究方向：無線通信技術。