无线电波
- 球面波
- 大尺度传播模型
- 反射与折射
- 衍射和散射
- 蓝牙无线电波的波长极短
- 因此设备之间尽量减少衍射的产生
- 减少发送设备与接收设备之间的由尖锐的障碍物
- 小尺度衰落
- 到达信号相位的随机性导致合成信号有较大的变化范围
- 服从瑞利衰落分布
-
蓝牙信道
蓝牙电波使用 2.4~2.48GHz的RF频段
- 2.4G频段可用于
- 2.4GHz蓝牙通信
- 2.4GHz无绳电话
- 802.11无绳电话
- Home RF无绳网络
- 市郊无线通信系统
- 部分国家（西班牙、法国、日本）政府通信
- 微波炉
- 在微波炉中，2.4GHz是水分子的谐振频率，即微波炉工作在2.4GHz频点
实际上微波炉总有微波泄露，在微波炉旁使用蓝牙设备会阻挡蓝牙传输，削减2/3以上的信息量
跳频通信
2.4GHz频段又称为ISM(工业、科学、医疗)频段，是一个免费频段。
- 由于有很多设备都挤向这一频段内、 因此显得十分拥挤
- 设备之间相互干扰，可能经常会出现设备在线等待，降低了数据传输速度。
- 解决上述问题的一种有效办法是采用扩展频谱跳频技术
- 用频率、时间或其他方法将可用的无线带宽进行分割，分割成一段一段的
- 在每一段内选一个频率，在一次传输中，信号从一个频率跳到另一个频率
- 这个过程叫跳频
- 蓝牙数据不受其他使用2.4GHz的设备干扰，使用一个频率发送或接收了一个数据分组后，立即跳到了另一个频率，并不长期在一个频率上工作。
- 蓝牙数据为了更为简便地传输，通常把它们折成很小的数据串，这一小串数据称为“分组”(Packet)。
- 蓝牙设备选择跳频在信道上传送，发送器和接收器应当按相同的次序一起跳频
- 蓝牙跳频信道就是具有这一功能的无线信道， 该功能依靠跳频序列和频率在序列中的位置来实现
而跳频序列由主单元的本地时钟来决定，主单元只要在发送数据同时，把自己的本地时钟传送给从单元，从单元就能与主单元一起同步跳频。
衰耗计算
蓝牙无线电波的传播由如下特点:
- 传播的范围在室内，具有覆盖面积小、传输距离近、受建筑材料影响三大特点。
- 属无线信道上的电波传播，存在反射、折射和散射等所有无线电波都能遇到的情况。
- 建筑物的影响是蓝牙无线电波的主要干扰源。建筑物的影响分静态和动态两种
- 静态：指建筑物的形状、建筑材质、建筑物室内布局等相对位置不动时产生的影响
- 动态：指门(窗)的开(关)、家具的摆放和挪动、天线的安装、蓝牙设备的物理位置等所产生的影响。
- 对衰耗的研究主要集中在两个方面:
- 对建筑物的分层、分隔、室内障碍物引起的信号衰耗已经进行了实际测量，相应地建立了些数据库， 把些建筑材料引起的信号损失纳入库中。
- 利用近似估算公式
- 如室内传播无线电波衰耗建立的对数衰落路径损耗模型
- 利用距离功率近似定理
传播损耗
- 自由空间直射波
- 直射与其他传播形式并存时，接收的主要能量是直射送来的
- 地面反射波
- 蓝牙无线电波在室内传送时，由于发送单元和接收单元都不会离地面太高，因此，发射天线发出的电磁波必然遇到地面，形成反射波。
- 近似处理，在研究地面对电波的反射时，都按平面波处理
- 尽管家居环境因装修及装修材料等因素不可能完全将无线电波反射回来
- 从一个蓝牙单元发送的无线电波有两条路径到达接收单元，一条是直射直接到达，一条是反射到达
- 忽略地面对电波的吸收影响
- 它们之间的传播途径如图所示
- 可求得
- 设无线电波的传播速度为 c, c 为常数，反射波与直射波到达接收单元的时间之差 Δt 为
- 将时间差换算成相位差，为 Δt2πf ，考虑到地面反射会反向一次，可求得反射波与直射波在接收单元处的相位差
- 相位差的大小对接收到的电磁波有很大的影响
- 人们站在平坦的没有建筑物的地面上，所能看到的最远距离称为视线距离
- 在视线距离内，无线电波无疑是直射波
- 视线距离示意图如图，其中，R是地球半径6370km, h1、h2分别是发射天线和接收天线的高度
- 理论上能计算出视线距离的最大值dmax为
- 单位都是m
- 无线电波在大气中传播时受到气体不均匀性影响，这种不均匀性反映成大气折射
- 如果将这种影响折算到地球半径上，半径修改成8500km，这时得到的视线距离最大值为
-
绕射损耗
无线电波遇到了障碍物虽然能够绕过去，使得接收天线即使在障碍物背后也能收到无线电波
- 但是障碍物必然引起电波的损耗，这时造成的能量损失要比直射传播的能耗大得多
- 发射天线、障碍物、接收天线之间的示意关系如图
- 菲涅尔绕射理论
- 专门研究绕射数学模型及绕射损耗能量，使用的数学模型在建模时做了些忽略和近似
- 由这个理论计算出来的绕射损耗与传播路径之间的关系，还需要实验来进一步确定
- 菲涅尔绕射理论反映绕射损耗用经验公式和一张图表反映出来
- 其中把障碍物顶点到TX-RX的垂直距离称为菲涅尔余隙，用X表示
- X<0表示障碍物高于TX-RX直线; X>0表示障碍物低于TX-RX直线
- 绕射损耗与菲涅尔余隙之间关系如图所示
- 该图横坐标
, 
是菲涅尔半径，它与d1、d2有密切关系
- 从绕射损耗曲线看到
- 当X/X1 <0.5时，随着X的减小，绕射损耗增加很快
- 如果X<0,则会急剧增加
- 当X/X1>0.5时，障碍物的影响不大
-
瑞利衰落
蓝牙无线电信号在室内多径传播，服从瑞利衰落分布
- 设发射的电磁波信号为
- 则接收端接收到的合成信号也是正弦波的叠加
- 经验证明，
和
是一个缓慢变化的随机过程 - 它们随时间的变化，比发射波的载频比要慢得多
- 对此，合成信号可以改写成
- U(t)是R(t)的幅值或包络线
- φ(t)是R(t)的相位，它们都缓慢变化
- 并且U(t)满足瑞利分布，p(t)满足均匀分布
- 假设无线电波传播途中遇到的干扰是高斯白噪声，那么包络线概率密度函数p(r)可以表示成
- 式中，r为接收到的信号损失幅度，取值[o，+∞]
- σ是噪声方差
- 相位概率密度函数p (0) 可以表示成
- 式中，θ的取值范围[0, π]
- 由此得到的瑞利衰落的平均值为
- 方差
为
多普勒频移
- 移动通信设备在一边移动一边发出无线电波给接收方，因此带来的影响称为多普勒效应
- 这也是蓝牙信号传送过程中无法忽视的问题
- 假设发送端T向A点运动，运动速度为v，T与A之间的距离为d，接收天线在R处，如图所示
- 可得关系
- 式中，t是移动通信设备从T处移至A处所需时间
- 如果R到T、A的距离远远大d，可以认为φ≈0，于是由a引起的相位变化为
- 式中，λ是无线电波的波长，由此引起的频率变化为
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