张同星 （1983-）

男，硕士，主要研究方向为工业过程智能检测及仪器。
基金项目：山东省信息产业专项发展基金（2008R00040)



摘要：ZigBee是一种低功耗、低成本的短距离无线通信技术。针对ZigBee无线通信系统进行了研究，通过比较扩频通信系统和不扩频通信系统，可知扩频通信能够减小误比特率，提高系统的可靠性。通过matlab仿真，仿真结果表明经过扩频的通信系统达到了IEEE802.15.4 协议的要求。

关键词：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

    随着半导体技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，20世纪90年代末在美国发端了现代意义的无线传感器网络技术，使短距无线通信已成为无线通信技术的新热点。符合IEEE 802.15.4 标准的ZigBee技术具有低速率、低功耗、低成本、高可靠性等优点[1]。由于工业控制环境比较复杂或恶劣，因此通信安全问题就显得尤为突出，如何保证通信的效率和质量是我们主要关心的。下面通过对ZigBee物理层主要性能研究，保证ZigBee传输的可靠性。

1.1 ZigBee技术简介

    2002年8月ZigBee联盟成立，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成。IEEE802.15.4的ZigBee标准于2003年5月获得批准。ZigBee的协议架构是建立在IEEE802.15.4标准基础之上，IEEE802.15.4定义了ZigBee的物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)。ZigBee联盟则定义了ZigBee协议的网络层(NWK)和应用层(APL)和安全服务规范[2]。

1.1.1 物理层

    IEEE802.15.4物理层主要完成以下几项任务：开启和关闭无线收发信机、能量检测(ED)、链路质量指示(LQI)、空闲信道评估(CCA)、信道选择、数据发送和接收。

    IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915 MHz物理层。两个物理层都基于DSSS直接序列扩频技术，使用相同的物理层数据包格式。ZigBee在2.4GHz频段有16个信道，能够提供250 kb/s的传输速率，采用O-QPSK调制；915MHz和868MHz分别是欧洲和美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。在916MHz频段有10个信道，传输速率为是40kb/s，在868 MHz频段只有1个信道，传输速率为20 kb/s，这两个频段都采用BPSK调制。[3]

    IEEE802.15.4物理层定义了三种空闲信道评估模式[4]：

    （1）能量门限检测。如果检测到的信号能量超过设定的ED门限，则表示信道忙(被占用)。

    （2）载波侦听。如果检测到符合IEEE802.15.4调制和扩频特征的信号，则表示信道忙，信号的强度可能高于或低于ED门限。

    （3）前两种模式的综合。如果检测到的符合IEEE802.15.4 调制和扩频特征的信号强度超过ED门限，则表示信道忙。

2  扩频技术

    为了克服直接用BPSK调制信号误比特率较高不足，采用直接序列扩频的方法，经过扩频后的信号能够增强抗干扰能力。扩频系统不仅能工作在低信噪比的条件下，还具有以下特点：有选择地址的能力；对于多元接入系统能实现码分复用；信号的功率谱密度低，有利于信号的屏蔽；有利于防止信息被窃听；抗干扰性强；抗衰落能力强。

2.1 扩频技术理论基础

    扩展频谱通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输。扩频系统必须满足以下两条准则：传输带宽远远大于被传送的原始信息的带宽；传输带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数常用的是伪随机序列[5]。

    扩展频谱技术的理论基础可用香农(C.E.Shannon)信道容量公式：C=Blog2(1+S/N)来描述。该公式表明，在高斯信道中当传输系统的信号噪声功率比S/N下降时，可用增加系统传输带宽B的办法来保持信道容量C不变。对于任意给定的信号噪声功率比，可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率。扩展频谱技术也是应用这一原理，用高速率的扩频码来扩展待传输的数字信息带宽的目的。

    香农指出：在信息速率一定时，可以用不同的信号带宽和相应的信噪比来实现传输，即信号带宽越宽则传信噪比可以越低，甚至在信号被噪声淹没的情况下也可以实现可靠通信。因此，将信号的频谱扩展，则可以实现低信噪比传输，并且可以保证信号传输有较好的抗扰干性和较高的保密性。在传输过程中克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式也具有白噪声统计特性的信号形式。由于扩频通信中的伪码逼近白噪声的统计特性，所以扩频通信又具有抗多径干扰的能力。

2.2 扩频技术的分类

    扩频技术一般分为以下三类：

    （1）用一组数字编制序列调制载波，此序列的比特率甚高，其带宽远大于原始信号的带宽。这类系统称为直接序列调制系统[6]。

    （2）发射机的载波频率按照指令离散的跳变，即在一组预先指定的频率上跳变。这类系统称为频率跳变系统。

    （3）线性调频或“鸟声”调制。在这种系统中，载频在一给定的脉冲时间中线性地扫过一个宽的频段。[6]

    在上述各类扩频系统中，直接序列调制扩谱系统是使用最普遍、最简单的一种，下面主要介绍这种扩谱系统。

2.2.1 直接序列扩频原理

    所谓直接序列扩频(DS)，就是直接用具有高速率的扩频码序列在发射端去扩展信号的频谱；在接收端，用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。在发送端输入信息码元m(t)，它是二进制数据，为0、1两个码元，码元宽度为Tb。加入扩频调制器，为一个模2加法器，扩频码为一个伪随机码(PN码)，记作p(t)。伪随机码的码元宽度为TP，且取Tb=16TP在DS系统中，伪码的速率Rp远大于信码速率Rm，即Rp>>Rm，也就是说，伪码的宽度TP远远小于信码的宽度，即TP<<Tb，展宽了频谱。

    直接序列扩频最简单的形式就是使用二进制相移键控(BPSK)做扩频调制。理想的BPSK调制会使载波的瞬时相位有180°的变化，数学上可以表示成C(t)和载波的乘积，C(t)取值±1。假设一个恒定包络已调的数据载波功率为P，角频率为ω0，数据相位调制为θd(t)，可表示为：

    Sd(t)= 

对BPSK信号进行扩频，要用函数C(t)乘以Sd(t)，C(t)代表扩频波形，这时发射信号为：

    St(t)= 

2.2.2 PN序列的产生

    一个伪随机(PN)序列是一个1和0的码序列，它的自相关函数具有白噪声自相关函数的性质。二进制PN码的序列是最大长度移位寄存器序列。一个最大长度移位寄存器序列(或简单称为m序列)有长度为L=2m-1比特，并有一个m级的，带有线性反馈的移位寄存器产生。这个序列是周期的，周期为L。每个周期内有2m-1各1和2m-1-1个0的序列。在DS扩频系统中，码元为0和1的二进制序列映射为相应的码元为-1和+1的二进制序列。将这个等效的码元为-1和+1的序列Cn称为双极性序列。

                                    图1   具有线性反馈的m级移位寄存器

    一个周期PN序列的重要特性是它的自相关函数，双极性序列Cn的自相关函数定义为

    Rc(m) = 

    L为该序列周期。由于序列Cn是周期的，周期为L，所以自相关序列Rc(m)=0，1≤m≤L-1。在m序列下，自相关序列是

    Rc(m)= 

    对于长m序列，Rc(m)相对于峰值Rc(0)的偏离值，即

    Rc(m)/Rc(0)=  是很小的，从实际的角度来看是无关紧要的。因此，当通过他们的自相关函数来看时，m序列是非常接近于理想PN序列的。在理想情况下，这些PN序列是互为正交的，使得受到外界的干扰很小。

3  系统仿真(Simulink)工具箱简介

    Simulink工具箱是Matlab各种工具箱中比较特别的图形化用户界面，可以利用拖动鼠标或模块，完成面向框图系统仿真的全部过程，并且更加直观、快速和准确地达到仿真的目的。Simulink工具箱不需要建立新函数，编程比较简单，可以自动生成代码。Simulink作为面向框图的仿真软件，具有以下优点：用方框图的绘制代替程序的编写；仿真的建立和运行是智能化的；输入输出信号来源形式的多样化[7]。

    通常在通信系统仿真模型中使用的工具箱除了Simulink之外，还有一些以Simulink为基础的模块工具箱。最常用的有电力系统(Powersys)模块工具箱，数字信号处理(DSP Blocks)模块工具箱，定点处理(Fix-PointBlocks)模块工具箱和通信系统(Comm)模块工具箱。通信系统(Comm)模块工具箱主要包括信号源和信号终端库、信源编码和信源解码库、纠错编码和纠错解码库、调制和解调库、多路存取库、发送滤波和接收滤波库以及信道库等。通过使用Simulink工具箱以及以它为基础的其他工具箱可以很容易地建立起一个直观的通信系统模型。第一阶段是用图形方式来画结构图并进行编辑；第二阶段是进行运算仿真。在第一阶段中首先要进行环节库框图的建立，从各种库中查找到需要的图标后进行排列；然后把各环节的端口按框图连接起来；最后进行环节参数的设定。要注意在系统输入端加上信号源，在用户关心的输出端加上信号终端(即观测或记录信号的设备，如示波器、电压表或文件等)。这样一个通信系统就确定了，接下来可以进行仿真、确定系统的性能指标及方案比较。

3.1 Simulink仿真

    构建好一个系统的模型之后，接下来的事情就是运行模型，得出仿真结果。运行一个仿真的完整过程分成四个步骤：设置仿真参数，编写程序，启动仿真和仿真结果分析。在各个模块中设置初始化参数和设置仿真参数。选择Simulation菜单下的Parameters命令，就会弹出一个仿真参数对话框，它主要用三个页面来管理仿真的参数。Solver页，它允许用户设置仿真的开始和结束时间，选择解法器，说明解法器参数及选择一些输出选项。Workspace I/O页，作用是管理模型从MATLAB工作空间的输入和对它的输出。Diagnostics页，允许用户选择Simulink在仿真中显示的警告信息的等级，然后进行仿真。

3.2 仿真框图

    868/915MHz物理层未采用直接序列扩频(DSSS)仿真结构框

                                         图2   未扩频的系统模型

    此系统工作原理如下：随机整数发生器即信源，产生随机的二进制0，1数列，仿真前需要设置初始化种子和采样频率；将产生的二进制0，1数列用BPSK调制；然后调制信号经过高斯白噪声模块，此模块也需要设置初始化种子，并把信噪比设置成变量，通过信噪比的变化，得到在不同信噪比下的误比特率；然后再将叠加了噪声的信号解调，即为接收到的信号；最后，将发送序列和接收序列输入到误比特率统计模块，计算出系统的误比特率。

                                          图3   扩频后系统模型

    868/915MHz物理层采用直接序列扩频(DSSS)结构框图。与图2不同之处，增加了PN序列产生器模块和双极性变化模块。PN序列产生器模块将信源的信号进行扩频以增加系统的抗干扰能力。双极性变换1和2，是将单极性信号变为双极性，以便于原始信号和扩频信号的相乘；双极性变换3是将双极性变为单极性，以便于BPSK调制；双极性变换4是将解调后的单极性信号变为双极性信号，以便于解扩；双极性变换5是将双极性信号变为单极性的，并与信源发出的信号比较，计算出误码率。

3.3 仿真效果

    在信噪比比较高的条件下，如果仿真时间不够长，仿真得到的误比特率通常为零。因此，随机数产生器的抽样间隔设置为1/100000，同时仿真时间设置为10秒，共产生106个调制信号，以提高仿真数据的精度。仿真结果如图4所示，圆点表示直接用BPSK调制，*表示先扩频后用BPSK调制。

                                     图4   系统仿真图

4  结论

    根据ZigBee物理层的低速率、低功耗的要求提出了扩频通信系统BPSK调制框图和未扩频通信系统BPSK调制框图。由系统仿真图可知，在信噪比0到7间，误码率都比较高并且扩频作用不明显，当信噪比在7到10，可以发现扩频后能明显提高系统的传输性能，降低了系统的误比特率。当信噪比大于9时，扩频后系统的误比特率能够小于10-5 以下，能满足IEEE802.15.4协议的要求。

其他作者：

邱书波（1963-），男，博士，教授，主要研究方向为工业测控网络技术，基于机器视觉的检测理论与技术。

侯    萌（1980-），男，硕士，讲师，主要研究方向为工业测控网络。

参考文献

[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，陈金鹰，郑恭明. 基于ZigBee标准的FPGA设计无线收发系统[J]. 工业仪表与自动化装置，2008，3: 38-39.

[4] 瞿雷，刘盛德. ZigBee技术及应用[M]. 1版. 北京: 北京航空航天大学出版社，2007.21-22.

[5] 范伟，翟传润，战兴群. 基于MATLAB的扩频通信系统仿真研究[J]. 微计算机信息，2006，22(7-1): 242-243.

[6] 樊昌信，张甫翊. 通信原理[M]. 5版. 北京: 国防工业出版社，2004.343-345.

[7] 张亮，郭仕剑. MATLAB7.X系统建模与仿真[M]. 北京: 人民邮电出版社，2006.8-9.