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張同星 （1983-）
男，碩士，主要研究方向為工業過程智能檢測及儀器。
基金項目：山東省信息產業專項發展基金（2008R00040)
摘要：ZigBee是一種低功耗、低成本的短距離無線通信技術。針對ZigBee無線通信系統進行了研究，通過比較擴頻通信系統和不擴頻通信系統，可知擴頻通信能夠減小誤比特率，提高系統的可靠性。通過matlab仿真，仿真結果表明經過擴頻的通信系統達到了IEEE802.15.4 協議的要求。
關鍵詞：ZigBee；DSSS；MATLAB仿真；信噪比；BPSK
Abstract: ZigBee is a kind of short wireless communication technology. ZigBee
for wireless communication systems have been studied. By comparing the spread
spectrum communications or none spread spectrum communications, we know that the
spread spectrum communications can reduce the error of bit rate, and improve system
reliability. The Matlab simulation results show that the spread spectrum communication
system meets the requirement of the IEEE 802.15.4 standard.
Key words: Zigbee; Direct sequence spread spectrum; Matlab simulation;
Signal-to-noise ratio; BPSK
1 引言
隨著半導體技術、通信技術、計算機技術的飛速發展，20世紀90年代末在美國發端了現代意義的無線傳感器網絡技術，使短距無線通信已成為無線通信技術的新熱點。符合IEEE 802.15.4 標準的ZigBee技術具有低速率、低功耗、低成本、高可靠性等優點[1]。由于工業控制環境比較復雜或惡劣，因此通信安全問題就顯得尤為突出，如何保證通信的效率和質量是我們主要關心的。下面通過對ZigBee物理層主要性能研究，保證ZigBee傳輸的可靠性。
1.1 ZigBee技術簡介
2002年8月ZigBee聯盟成立，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成。IEEE802.15.4的ZigBee標準于2003年5月獲得批準。ZigBee的協議架構是建立在IEEE802.15.4標準基礎之上，IEEE802.15.4定義了ZigBee的物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)。ZigBee聯盟則定義了ZigBee協議的網絡層(NWK)和應用層(APL)和安全服務規范[2]。
1.1.1 物理層
IEEE802.15.4物理層主要完成以下幾項任務：開啟和關閉無線收發信機、能量檢測(ED)、鏈路質量指示(LQI)、空閑信道評估(CCA)、信道選擇、數據發送和接收。
IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準，分別是2.4GHz物理層和868/915 MHz物理層。兩個物理層都基于DSSS直接序列擴頻技術，使用相同的物理層數據包格式。ZigBee在2.4GHz頻段有16個信道，能夠提供250 kb/s的傳輸速率，采用O-QPSK調制；915MHz和868MHz分別是歐洲和美國的ISM頻段，這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設備的相互干擾。在916MHz頻段有10個信道，傳輸速率為是40kb/s，在868 MHz頻段只有1個信道，傳輸速率為20 kb/s，這兩個頻段都采用BPSK調制。[3]
IEEE802.15.4物理層定義了三種空閑信道評估模式[4]：
（1）能量門限檢測。如果檢測到的信號能量超過設定的ED門限，則表示信道忙(被占用)。
（2）載波偵聽。如果檢測到符合IEEE802.15.4調制和擴頻特征的信號，則表示信道忙，信號的強度可能高于或低于ED門限。
（3）前兩種模式的綜合。如果檢測到的符合IEEE802.15.4 調制和擴頻特征的信號強度超過ED門限，則表示信道忙。
2 擴頻技術
為了克服直接用BPSK調制信號誤比特率較高不足，采用直接序列擴頻的方法，經過擴頻后的信號能夠增強抗干擾能力。擴頻系統不僅能工作在低信噪比的條件下，還具有以下特點：有選擇地址的能力；對于多元接入系統能實現碼分復用；信號的功率譜密度低，有利于信號的屏蔽；有利于防止信息被竊聽；抗干擾性強；抗衰落能力強。
2.1 擴頻技術理論基礎
擴展頻譜通信系統是指待傳輸信息的頻譜用某個特定的擴頻函數擴展后成為寬頻帶信號，送入信道中傳輸。擴頻系統必須滿足以下兩條準則：傳輸帶寬遠遠大于被傳送的原始信息的帶寬；傳輸帶寬主要由擴頻函數決定，此擴頻函數常用的是偽隨機序列[5]。
擴展頻譜技術的理論基礎可用香農(C.E.Shannon)信道容量公式：C=Blog2(1+S/N)來描述。該公式表明，在高斯信道中當傳輸系統的信號噪聲功率比S/N下降時，可用增加系統傳輸帶寬B的辦法來保持信道容量C不變。對于任意給定的信號噪聲功率比，可以用增大傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯率。擴展頻譜技術也是應用這一原理，用高速率的擴頻碼來擴展待傳輸的數字信息帶寬的目的。
香農指出：在信息速率一定時，可以用不同的信號帶寬和相應的信噪比來實現傳輸，即信號帶寬越寬則傳信噪比可以越低，甚至在信號被噪聲淹沒的情況下也可以實現可靠通信。因此，將信號的頻譜擴展，則可以實現低信噪比傳輸，并且可以保證信號傳輸有較好的抗擾干性和較高的保密性。在傳輸過程中克服多徑衰落干擾的影響，信道中傳輸的最佳信號形式也具有白噪聲統計特性的信號形式。由于擴頻通信中的偽碼逼近白噪聲的統計特性，所以擴頻通信又具有抗多徑干擾的能力。
2.2 擴頻技術的分類
擴頻技術一般分為以下三類：
（1）用一組數字編制序列調制載波，此序列的比特率甚高，其帶寬遠大于原始信號的帶寬。這類系統稱為直接序列調制系統[6]。
（2）發射機的載波頻率按照指令離散的跳變，即在一組預先指定的頻率上跳變。這類系統稱為頻率跳變系統。
（3）線性調頻或“鳥聲”調制。在這種系統中，載頻在一給定的脈沖時間中線性地掃過一個寬的頻段。[6]
在上述各類擴頻系統中，直接序列調制擴譜系統是使用最普遍、最簡單的一種，下面主要介紹這種擴譜系統。
2.2.1 直接序列擴頻原理
所謂直接序列擴頻(DS)，就是直接用具有高速率的擴頻碼序列在發射端去擴展信號的頻譜；在接收端，用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始信息。在發送端輸入信息碼元m(t)，它是二進制數據，為0、1兩個碼元，碼元寬度為Tb。加入擴頻調制器，為一個模2加法器，擴頻碼為一個偽隨機碼(PN碼)，記作p(t)。偽隨機碼的碼元寬度為TP，且取Tb=16TP在DS系統中，偽碼的速率Rp遠大于信碼速率Rm，即Rp>>Rm，也就是說，偽碼的寬度TP遠遠小于信碼的寬度，即TP<<Tb，展寬了頻譜。
直接序列擴頻最簡單的形式就是使用二進制相移鍵控(BPSK)做擴頻調制。理想的BPSK調制會使載波的瞬時相位有180°的變化，數學上可以表示成C(t)和載波的乘積，C(t)取值±1。假設一個恒定包絡已調的數據載波功率為P，角頻率為ω0，數據相位調制為θd(t)，可表示為：
Sd(t)=
對BPSK信號進行擴頻，要用函數C(t)乘以Sd(t)，C(t)代表擴頻波形，這時發射信號為：
St(t)=
2.2.2 PN序列的產生
一個偽隨機(PN)序列是一個1和0的碼序列，它的自相關函數具有白噪聲自相關函數的性質。二進制PN碼的序列是最大長度移位寄存器序列。一個最大長度移位寄存器序列(或簡單稱為m序列)有長度為L=2m-1比特，并有一個m級的，帶有線性反饋的移位寄存器產生。這個序列是周期的，周期為L。每個周期內有2m-1各1和2m-1-1個0的序列。在DS擴頻系統中，碼元為0和1的二進制序列映射為相應的碼元為-1和+1的二進制序列。將這個等效的碼元為-1和+1的序列Cn稱為雙極性序列。
圖1 具有線性反饋的m級移位寄存器
一個周期PN序列的重要特性是它的自相關函數，雙極性序列Cn的自相關函數定義為
Rc(m) =
L為該序列周期。由于序列Cn是周期的，周期為L，所以自相關序列Rc(m)=0，1≤m≤L-1。在m序列下，自相關序列是
Rc(m)=
對于長m序列，Rc(m)相對于峰值Rc(0)的偏離值，即
Rc(m)/Rc(0)=
是很小的，從實際的角度來看是無關緊要的。因此，當通過他們的自相關函數來看時，m序列是非常接近于理想PN序列的。在理想情況下，這些PN序列是互為正交的，使得受到外界的干擾很小。
3 系統仿真(Simulink)工具箱簡介
Simulink工具箱是Matlab各種工具箱中比較特別的圖形化用戶界面，可以利用拖動鼠標或模塊，完成面向框圖系統仿真的全部過程，并且更加直觀、快速和準確地達到仿真的目的。Simulink工具箱不需要建立新函數，編程比較簡單，可以自動生成代碼。Simulink作為面向框圖的仿真軟件，具有以下優點：用方框圖的繪制代替程序的編寫；仿真的建立和運行是智能化的；輸入輸出信號來源形式的多樣化[7]。
通常在通信系統仿真模型中使用的工具箱除了Simulink之外，還有一些以Simulink為基礎的模塊工具箱。最常用的有電力系統(Powersys)模塊工具箱，數字信號處理(DSP Blocks)模塊工具箱，定點處理(Fix-PointBlocks)模塊工具箱和通信系統(Comm)模塊工具箱。通信系統(Comm)模塊工具箱主要包括信號源和信號終端庫、信源編碼和信源解碼庫、糾錯編碼和糾錯解碼庫、調制和解調庫、多路存取庫、發送濾波和接收濾波庫以及信道庫等。通過使用Simulink工具箱以及以它為基礎的其他工具箱可以很容易地建立起一個直觀的通信系統模型。第一階段是用圖形方式來畫結構圖并進行編輯；第二階段是進行運算仿真。在第一階段中首先要進行環節庫框圖的建立，從各種庫中查找到需要的圖標后進行排列；然后把各環節的端口按框圖連接起來；最后進行環節參數的設定。要注意在系統輸入端加上信號源，在用戶關心的輸出端加上信號終端(即觀測或記錄信號的設備，如示波器、電壓表或文件等)。這樣一個通信系統就確定了，接下來可以進行仿真、確定系統的性能指標及方案比較。
3.1 Simulink仿真
構建好一個系統的模型之后，接下來的事情就是運行模型，得出仿真結果。運行一個仿真的完整過程分成四個步驟：設置仿真參數，編寫程序，啟動仿真和仿真結果分析。在各個模塊中設置初始化參數和設置仿真參數。選擇Simulation菜單下的Parameters命令，就會彈出一個仿真參數對話框，它主要用三個頁面來管理仿真的參數。Solver頁，它允許用戶設置仿真的開始和結束時間，選擇解法器，說明解法器參數及選擇一些輸出選項。Workspace I/O頁，作用是管理模型從MATLAB工作空間的輸入和對它的輸出。Diagnostics頁，允許用戶選擇Simulink在仿真中顯示的警告信息的等級，然后進行仿真。
3.2 仿真框圖
868/915MHz物理層未采用直接序列擴頻(DSSS)仿真結構框
圖2 未擴頻的系統模型
此系統工作原理如下：隨機整數發生器即信源，產生隨機的二進制0，1數列，仿真前需要設置初始化種子和采樣頻率；將產生的二進制0，1數列用BPSK調制；然后調制信號經過高斯白噪聲模塊，此模塊也需要設置初始化種子，并把信噪比設置成變量，通過信噪比的變化，得到在不同信噪比下的誤比特率；然后再將疊加了噪聲的信號解調，即為接收到的信號；最后，將發送序列和接收序列輸入到誤比特率統計模塊，計算出系統的誤比特率。
圖3 擴頻后系統模型
868/915MHz物理層采用直接序列擴頻(DSSS)結構框圖。與圖2不同之處，增加了PN序列產生器模塊和雙極性變化模塊。PN序列產生器模塊將信源的信號進行擴頻以增加系統的抗干擾能力。雙極性變換1和2，是將單極性信號變為雙極性，以便于原始信號和擴頻信號的相乘；雙極性變換3是將雙極性變為單極性，以便于BPSK調制；雙極性變換4是將解調后的單極性信號變為雙極性信號，以便于解擴；雙極性變換5是將雙極性信號變為單極性的，并與信源發出的信號比較，計算出誤碼率。
3.3 仿真效果
在信噪比比較高的條件下，如果仿真時間不夠長，仿真得到的誤比特率通常為零。因此，隨機數產生器的抽樣間隔設置為1/100000，同時仿真時間設置為10秒，共產生106個調制信號，以提高仿真數據的精度。仿真結果如圖4所示，圓點表示直接用BPSK調制，*表示先擴頻后用BPSK調制。
圖4 系統仿真圖
4 結論
根據ZigBee物理層的低速率、低功耗的要求提出了擴頻通信系統BPSK調制框圖和未擴頻通信系統BPSK調制框圖。由系統仿真圖可知，在信噪比0到7間，誤碼率都比較高并且擴頻作用不明顯，當信噪比在7到10，可以發現擴頻后能明顯提高系統的傳輸性能，降低了系統的誤比特率。當信噪比大于9時，擴頻后系統的誤比特率能夠小于10-5 以下，能滿足IEEE802.15.4協議的要求。
其他作者：
邱書波（1963-），男，博士，教授，主要研究方向為工業測控網絡技術，基于機器視覺的檢測理論與技術。
侯 萌（1980-），男，碩士，講師，主要研究方向為工業測控網絡。
參考文獻
[1] IEEE Std 802.15.4-2003:Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)[OL]. http://www.ieee802.org.
[2] ZigBee Alliance. ZigBee Specification 1.0[OL].http://www.zigbee.org.
[3] 王巍，陳金鷹，鄭恭明. 基于ZigBee標準的FPGA設計無線收發系統[J]. 工業儀表與自動化裝置，2008，3: 38-39.
[4] 瞿雷，劉盛德. ZigBee技術及應用[M]. 1版. 北京: 北京航空航天大學出版社，2007.21-22.
[5] 范偉，翟傳潤，戰興群. 基于MATLAB的擴頻通信系統仿真研究[J]. 微計算機信息，2006，22(7-1): 242-243.
[6] 樊昌信，張甫翊. 通信原理[M]. 5版. 北京: 國防工業出版社，2004.343-345.
[7] 張亮，郭仕劍. MATLAB7.X系統建模與仿真[M]. 北京: 人民郵電出版社，2006.8-9.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號