蓝牙技术的物理层规范

所谓蓝牙（Bluetooth）技术，实际上是一种短距离无线通信技术，利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化以上这些设备与Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。说得通俗一点，就是蓝牙技术使得现代一些轻易携带的移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上因特网，其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的无线通信网络。 蓝牙技术实质：一种短距离无线通信标准蓝牙耳机蓝牙鼠标蓝牙系统由天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议栈）单元四个功能单元组成。 蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学）频段。蓝牙的数据速率为1Mb/s。时分双工传输方案被用来实现全双工传输。 使用IEEE802.15协议。1天线单元蓝牙要求其天线部分体积十分小巧、重量轻，因此，蓝牙天线属于微带天线。 2链路控制（固件）单元在目前蓝牙产品中，人们使用了3个IC分别作为联接控制器、基带处理器以及射频传输接收器，此外还使用了3050个单独调谐元件。 3链路管理（软件）单元链路管理（LM）软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。LM能够发现其它远端LM并通过LMP（键路管理协议）与之通信。 4软件（协议栈）单元蓝牙的软件（协议栈）单元是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑。它必须符合已经制定好的蓝牙规范。蓝牙规范是为个人区域内的无线通信制定的协议，它包括两部分：第一部分为核心（Core）部分，用以规定诸如射频、基带、连接管理、业务搜寻（service discovery）、传输层以及与不同通信协议间的互用、互操作性等组件；第二部分为协议子集（Profile）部分，用以规定不同蓝牙应用（也称使用模式）所需的协议和过程。蓝牙技术的物理层特性：蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合。在被保留的时隙中可以传输同步数据包，每个数据包以不同的频率发送。一个数据包名义上占用一个时隙，但实际上可以被扩展到占用5个时隙。蓝牙可以支持异步数据信道、多达3个的同时进行的同步话音信道，还可以用一个信道同时传送异步数据和同步话音。每个话音信道支持64kb/s同步话音链路。异步信道可以支持一端最大速率为721kb/s而另一端速率为57.6kb/s的不对称连接，也可以支持43.2kb/s的对称连接。1. 射频特性蓝牙作为一种短程无线通信技术，工作在2.45GHz频段，每个收发机配置了符合IEEE 802标准的48位地址，数据频率为1Mbs，使用扩频和跳频技术，即使在噪声环境中也可以正常无误地工作，其工作范围约10m，如果附加功率放大，则可传输100m的距离。2. TDMA结构 在1.0B版本的标准中，Bluetooth的基带符号速率为1Mb/s，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙0.625ms，不排除将来采用更高的符号速率。Bluetooth支持64kb/s的实时语音传输和各种速率的数据传输，语音编码采用对数PCM或连续可变斜率增量调制（CVSD，Continuos Variable Slope Delta Modulation）。语音和数据可单独或同时传输。当仅传输语音时，Bluetooth设备最多可同时支持3路全双工的话音通信；当语音和数据同时传输或仅传输数据时，支持433.9 kb/s 的对称全双工通信，或723.2kb/s、57.6 kb/s 的非对称双工通信，后者特别适合无线访问Internet。另外，还采用CRC (Cyclic Redundancy Check)、FEC (Forward Error Correction) 及ARQ (Automatic Repeat Request) 以提高通信的可靠性。3. 使用跳频技术ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等，都可能是干扰。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（hop channel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列（即一定的规律，技术上叫做伪随机码，就是假的随机码）不断地从一个信道跳到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能的影响变成很小。 与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。跳频是Bluetooth使用的关键技术之一。对应于单时隙包，Bluetooth的跳频速率为1600跳每秒，对应于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时(包括寻呼和查询)则提高为3,200跳每秒。使用这样高的跳频速率，Bluetooth系统具有足够高的抗干扰能力。不同版本的蓝牙技术的物理层区别：a)Class A 是用在大功率/远距离的蓝牙产品上，但因成本高和耗电量大 蓝牙，不适合作个人通讯产品之用(手机/蓝牙耳机/蓝牙 Dongle 等等)，故多用在部分商业特殊用途上，通讯距离大约在 80100M 距离之间。 b)Class B 是目前最流行的制式，通讯距离大约在 830M 之间，似乎产品的设计而定，多用于手机内/蓝牙耳机/蓝牙 Dongle 的个人通讯产品上，耗电量和体积较细，方便携带。 5）无论 1.1/1.2 版本的蓝牙产品，本身基本是可以支持 Stereo 音效的传输要求，但只能够作（单工）方式工作，加上音带频率响应不太足够，并未算是最好之 Stereo 传输工具。 6）版本 2.0 是 1.2 的改良提升版，传输率约在 1.8M/s2.1M/s，可以有（双工）的工作方式。即一面作语音通讯，同时亦可以传输档案/高质素图片，台湾有部分蓝牙 Dongle 已经有在市面发售，但在手机内有支持蓝牙 2.0 版本则是很少。蓝牙耳机能够真正使用的亦不多，部分蓝牙产品自称是 2.0 版本，但仍然要利用外加配件才能达到。故相信最快也要到今年 911 月底才成气候，2.0 版本当然也支持 Stereo 运作。 7）稍后蓝牙 2.0 版本的芯片，是有机会加入了 Stereo 译码芯片，则连 A2DP（Advanced Audio Distribution Profile）也可以不需要了。 8) 2009年4月21日，蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)正式颁布了新一代标准规范Bluetooth Core Specification Version 3.0 High Speed(蓝牙核心规范3.0版 高速)。作为新版规范，蓝牙3.0的传输速度自然会更高，而秘密就在802.11无线协议上。通过集成802.11 PAL(协议适应层)，蓝牙3.0的数据传输率提高到了大约24Mbps(即可在需要的时候调用802.11 WI-FI用于实现高速数据传输)。，是蓝牙2.0的八倍，可以轻松用于录像机至高清电视、PC至PMP、UMPC至打印机之间的资料传输。 功耗方面，通过蓝牙3.0高速传送大量数据自然会消耗更多能量，但由于引入了增强电源控制(EPC)机制，再辅以802.11，实际空闲功耗会明显降低，蓝牙设备的待机耗电问题有望得到初步解决。事实上，蓝牙联盟也正在着手制定新规范的低功耗版本。 此外，新的规范还具备通用测试方法(GTM)和单向广播无连接数据(UCD)两项技术，并且包括了一组HCI指令以获取密钥长度。最新版本的蓝牙技术规范：蓝牙技术联盟(SIG)周二（2010年4月20日）表示，蓝牙4.0技术规范已经基本成型，预计于今年第二季度发布。 蓝牙4.0包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝 牙和新的蓝牙低功耗技术。蓝牙 4.0的改进之处主要体现在三个方面，电池续航时间、节能和设备种类上。 此外，蓝牙4.0的有效传输距离也有所提升。当前，蓝牙的有效传输距离为10米(约 30英尺)，而蓝牙4.0的有效传输距离可达到60米(约200英尺)。 SIG表示，蓝牙4.0完整规范将于今年6月30