蓝牙技术基础知识【知识探索】

1、CK 西可通信技术设备（河源）有限公司,蓝牙基础技术培训,编写:工程部 2006-06-09,1,峰谷文书,第一章、蓝牙简介,2,峰谷文书,概述,“蓝牙”是一种开放的技术规范，它可在世界上的任何地方实 现短距离的无线语音和数据通信。蓝牙技术的发展：1994年， 爱立信移动通信公司开始研究在移动电话及其附件之间实现 低功耗、低成本无线接口的可行性。随着项目的进展，爱立 信公司意识到短距无线通信（ShortDistance Wireless Communication）的应用前景无限广阔。,3,峰谷文书,爱立信将这项新的无线通信技术命名为蓝牙（Bluetooth）。 Bluetooth取自10世纪

2、丹麦国王HaraldBluetooth的名字。 爱立信意识到要使这项技术最终获得成功，必须得到业界其 他公司的支持与应用。1998年5月，爱立信联合诺基亚 （Nokia）、英特尔（Intel）、IBM、东芝（Toshiba）这4 家公司一起成立了蓝牙特殊利益集团（SpecialInterest Group，SIG），负责蓝牙技术标准的制定、产品测试，并协 调各国蓝牙的具体使用。,4,峰谷文书,蓝牙技术的特点,蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，它最初的目标是取代 现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连 接。在制定蓝牙规范之初，就建立了统一全球的目标，向全 球公开发布，工作频段为全球

3、统一开放的2.4GHz工业、科学 和医学（Industrial,ScientificandMedical,ISM）频段。 从目前的应用来看，由于蓝牙体积小、功率低，其应用已不 局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之中， 特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。 蓝牙技术的特点可归纳为如下几点：,5,峰谷文书,（1）全球范围适用：蓝牙工作在2.4GHz的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4-2.4835GHz，使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证。,6,峰谷文书,（2）同时可传输语音和数据：蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路

4、语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。每个语音信道数据速率为64kbit/s，语音信号编码采用脉冲编码调制（PCM）或连续可变斜率增量调制（CVSD）方法。当采用非对称信道传输数据时，速率最高为721kbit/s，反向为57.6kbit/s；当采用对称信道传输数据时，速率最高为342.6kbit/s。蓝牙有两种链路类型：异步无连接（ACL）链路和同步面向连接（SCO）链路。,7,峰谷文书,（3）可以建立临时性的对等连接：根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主设备（Master）与从设备（Slave）。主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网（Piconet）

5、时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。皮网是蓝牙最基本的一种网络形式，最简单的皮网是一个主设备和一个从设备组成的点对点的通信连接。,8,峰谷文书,（4）具有很好的抗干扰能力：工作在ISM频段的无线电设 备有很多种，如家用微波炉、无线局域网（WLAN）Home RF 等产品，为了很好地抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙采用了 跳频（FrequencyHopping）方式来扩展频谱 （SpreadSpectrum），将2.4022.48GHz频段分成79个频点， 相邻频点间隔1MHz。蓝牙设备在某个频点发送数据之后，再 跳到另一个频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每 秒钟频率改变1600次，每

6、个频率持续625。,9,峰谷文书,（5）蓝牙模块体积很小、便于集成：由于个人移动设备的体 积较小，嵌入其内部的蓝牙模块体积就应该更小，如爱立信 公司的蓝牙模块ROK101008的外形尺寸仅为 32.8mm16.8mm2.95mm。,10,峰谷文书,（6）低功耗：蓝牙设备在通信连接（Connection）状态下， 有四种工作模式： 激活（Active）模式 呼吸（Sniff）模式 保持（Hold）模式 休眠（Park）模式 Active模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。,11,峰谷文书,（7）开放的接口标准：SIG为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部公开，全

7、世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过SIG的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。 （8）成本低：随着市场需求的扩大，各个供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片和模块，蓝牙产品价格飞速下降。,12,峰谷文书,第二章、蓝牙的基础知识,13,峰谷文书,1、2.4GHz ISM 频段,ISM频段：Industry Science and Medical Band （工业、科学、医学）。,14,峰谷文书,信道数：79 个 （0-78） 范围：2.402GHz - 2.480GHz 信道间隔：1MHz,15,峰谷文书,2、调制方式,GFSK（载波向上频移157kHz表示“1”，向下频移1

8、57kHz表 示“0”，速率是1Mbit/s） BT=0.5（0.5是将数据滤波器的-3dB带宽设定在500kHz， 可以限制射频占用的频谱） 调制指数=0.28-0.35 采用跳频技术1600H/s，T=625s 采用时分复用多路访问技术(TDD) 语音信道采用连续可变斜率增量调制（CVSD）,16,峰谷文书,数据速率： 1MBit/s gross 分组交换或电路交换模式 异步数据和同步语音 功率： Class 1:+20dBm (with PA) Class 2:+4dBm（-6-+4dBm） Class 3:0dBm,17,峰谷文书,3、FH/TDD Channel,625 ms,t,t

9、,master,slave,18,峰谷文书,4、跳频,slave,master,time,19,峰谷文书,5、包的格式,接入码,包头,内容,72b,54b,0-2745b,20,峰谷文书,PREAMBLE,SYNC WORD,TRAILER,4,64,4,34,24,6,LSB,MSB,BCH LAP BRK,接入码,21,峰谷文书,包头,AM_ADDR,HEC,3,1,8,AM_ADDR,TYPE,FLOW,ARQN,slave active member address,payload type,LC flow control,ACK/NAK,parameter,information,F

10、LOW,1,ARQN,1,SEQN,TYPE,4,SEQN,retransmit ordering,HEC,header error check,22,峰谷文书,6、DH1/3/5 分组结构,23,峰谷文书,7、微微网（皮网）,Master,Slave,Slave,Slave,Slave,Slave,Slave,Slave,一个微微网可由8个蓝牙设备组成。 在同一个微微网中，主设备为所有的设备提供时钟和跳频同步序列。 在同一个微微网中，所有的设备有同样的跳频序列。,24,峰谷文书,8、分散网,Master,Slave,Slave,Slave,Slave,Slave,Master,两个或更多的微

11、微网在重叠的区域可以建立特殊的呼叫。,25,峰谷文书,9、微微网的应用（一拖七）,26,峰谷文书,10、建立通信,Standby(缺省),Inquiry(查询)(unknown address),Page(寻呼) (known address),Connection,.Active power(活动) Sniff(呼吸) Hold(保持) Park(休眠),Standby 等待加入一个微微网。 Inquiry 邀请周围的无线连接。 Page 连接一个明确的无线链路。 Connected 加入一个皮网(主设备或者从设备),27,峰谷文书,第三章、蓝牙的技术指标,28,峰谷文书,一、发信机测试,目

12、前的蓝牙无线测试规范的版本为0.91版本，它定义了蓝牙 无线测试指标及其测试方法。蓝牙无线测试配置包括一台测 试仪和被测设备（EUT,Equipment Under Test），其中测试 仪作为主单元，EUT作为从单元。两者之间可以通过射频电 缆相连也可以通过天线经空中传输相连。测试仪发送LMP指 令，激活EUT进入测试模式，并对测试仪与EUT之间的蓝牙链 路的一些参数进行配置。如测试方式是环回还是发送方式， 是否需要进行跳频，分组是单时隙分组还是多时隙分组，分 组的净菏是PN9，还是00001111、01010101。测试模式是一 个特殊的状态，出于安全的考虑，EUT必须首先设为“Enall

13、e” 状态，然后才能空中激活进入测试模式。,29,峰谷文书,1、输出功率,测试仪对初始状态设置如下：链路为跳频，EUT置为环回 （Loop back）。测试仪发射净荷为PN9，分组类型为所支持 的最大长度的分组，EUT对测试仪发出的分组解码，并使用 相同的分组类型以其最大输出功率将净荷回送给测试仪。测 试仪在低、中、高三个频点，对整个突发范围内测量峰值功 率和平均功率。规范要求峰值功率和平均功率各小于23dBm 和20dBm，并且满足以下要求：如果EUT的功率等级为1，平 均功率 0dBm；如果EUT的功率等级为2，-6dBm平均功率 4dBm；如果EUT的功率等级为3，平均功率0dBm。,3

14、0,峰谷文书,2、功率密度,初始状态同（1），测试仪通过扫频，在2400MHz频 带范围内找到对应最大功率的频点，然后以此频点 进行时域扫描（扫描时间为1分钟），测出最大值， 要求小于20dBm/100kHz。,31,峰谷文书,3、功率控制,初始状态为环回，非跳频。EUT分别工作在低、中、 高三个频点，回送调制信号为PN9的DH1分组。测试 仪通过LMP信令控制EUT输出功率，并测试功率控制 步长的范围，规范要求在2dB和8dB之间。,32,峰谷文书,4、频率范围,初始状态同（3），测试仪对EUT回送的净荷为PN9的 DH1分组扫频测量。当EUT工作在最低频点时，测试 仪找到功率密度下降为-8

15、0dBm/Hz时的频点fL；当 EUT工作在最高频点时，测试仪找到功率密度下降 为-80dBm/Hz时的频点fH。对于79信道的系统，要求 fL、fH位于2.42.4835GHz范围内。,33,峰谷文书,5、20dB带宽,初始状态同（3），EUT分别工作在低、中、高三个 频点，回送调制信号为PN9的DH1分组。测试仪扫频 找到对应最大功率的频点，并且找到其左右两侧对 应功率下降20dB时的fL和fH，20dB带宽Df = | fH - fL |，要求Df小于1MHz。,34,峰谷文书,6、相邻信道功率,初始状态同（3）, EUT工作频点分别为第3信道、 第39信道和第75信道，回送净荷为PN9

16、的DH1分组。 测试仪扫描整个蓝牙频段，测试各个信道的功率。 要求相邻第2道的泄漏功率小于-20dBm，相邻第3道 及其以上的泄漏功率小于-40dBm。,35,峰谷文书,7、调制特性,初始状态同（3）, EUT分别工作在低、中、高三个 频点。测试仪以所支持的最大分组长度发送净荷为 11110000的分组，并对EUT回送的分组计算频率偏移 的峰值和均值，分别记为Df1max 和Df1avg。测试仪 以所支持的最大分组长度发送净荷为10101010的分 组，并对EUT回送的分组计算频率偏移的峰值和均值， 分别记为Df2max 和Df2avg，要求满足以下条件：至 少99.9%的Df1max满足 1

17、40kHz115kHz；Df2avg /Df1avg 0.8。,36,峰谷文书,8、初始载波容限,EUT为环回状态，回送净荷为PN9的DH1给测试仪。 测试仪先将链路置为非跳频，EUT分别工作在低、 中、高三个频点，然后测试仪再将链路置为跳频。 测试仪根据4个前导码计算载波频率f0，要求与标 称频率fTX的差小于75kHz。,37,峰谷文书,9、载波频率漂移,初始状态同（3），EUT分别工作在低、中、高三个 频点，回送调制信号为10101010的DH1/DH3/DH5分组。 测试仪先根据4个前导码计算载波频率f0，然后每10 比特净荷测试一次频率，其与初始载频的差为瞬时 频率漂移。最后测试仪将

18、跳频打开，重新测试所有 频点下的瞬时频率漂移。瞬时频率漂移之间的差定 义为漂移速率。对于DH1分组，要求每次的瞬时漂移 小于25kHz，对于DH3、DH5分组，要求载波瞬时漂移 小于40kHz。规范还要求载波漂移速率小于 4000Hz/10s。,38,峰谷文书,二、收信机测试,对于收信机测试来说，所有指标的测试都是基于误 比特率的统计，并且至少要统计1600000个比特。 众所周知，在误帧率较大的情况下统计误比特率没 有任何意义，因此，为了准确测试收信机的性能， 测试仪必须能测试由以下6种情况导致的FER：CRC 误差、不正确的净荷长度、同步字出错、HEC出错、 EUT给MT8850A回送NA

19、CK分组、在预期的时隙内没有 收到EUT发送的分组。下面介绍蓝牙收信机的测试。,39,峰谷文书,1、单时隙灵敏度,初始状态同1.1（3），EUT分别工作在低、中、高三个频点，回送调制 信号为PN9的DH1分组。依照蓝牙规范的要求，测试仪控制其输出功率， 以使EUT的收信功率为-70dBm。蓝牙规范允许EUT发送的射频信号具有 75kHz的初始误差和40kHz的频率漂移，即总共允许有115kHz的误差。此 外，还要考虑调制、符号定时等引起的误差。假如EUT的收信机性能由 一个输出“完美”信号的测试仪来测试，其测试结果不足以提供冗余度来 适应真正的无线传输环境，用户将得到一个关于收信机质量的错误结

20、果。 经验告诉我们，对于有扰测试，蓝牙收信机的灵敏度一般会劣化4-10dB， 具体值与分组长度和蓝牙芯片种类有关。测试仪必须支持有扰发射 (dirty transmitter),见表1，将干扰加入到发送的蓝牙信号中，每 20ms一组，从第一组依次到第十组，再返回第一组，不断重复。此外， 蓝牙基带信号还受一正弦波调制。测试仪对误码率进行统计，要求误码 率BER0.1%。此外，如果有条件的话，最好在跳频状态下再重新测试一 遍。,40,峰谷文书,2、多时隙灵敏度,类似于单时隙灵敏度的测试，不过分组类型为DH3、 DH5。,41,峰谷文书,3、C/I性能,初始状态同1.1（3）, EUT分别工作在低、

21、中、高三 个频点。测试仪发送的有用信号为净荷PN9的DH1分 组，同时还发送净荷PN15的蓝牙干扰信号。有用信 号和干扰信号的功率电平参见表2。测试仪进行误码 率统计，要求BER0.1%。,42,峰谷文书,4、阻塞性能,阻塞特性是指在其它频段存在大的干扰信号时，接收机接收 有用信号的能力。初始状态同1.1（3）,EUT收发频点为 2460MHz（58号信道）。测试仪不仅发送净荷为PN9的DH1分 组作为有用信号，而且发送频率为30MHz到12.75GHz之间的 连续波干扰信号。有用信号的功率电平比参考灵敏度高3dB， 参考灵敏度是指满足一定的误码率情况下，接收机可以接收 的最小电平。干扰信号的电平比表3给出的大2dB。测试仪统 计误码率，如果BER0.1%,则测试仪记录此时干扰信号的频 点,要求频点的个数小于24。其他条件不变，仅把干扰信号 的电平降为-50dBm，测试仪记录BER0.1%时的干扰信号的频 点，要求其个数小于5个。,43,峰谷文书,5、互调性能,互调特性是指存在两个或多个跟有用信号有特定