通信原理与技术-蓝牙技术.ppt

1、第15章蓝牙技术，15.1蓝牙的起源，15.2蓝牙技术概述，15.3蓝牙技术的特点，15.4蓝牙系统的组成，15.5蓝牙技术和无线局域网，15.6蓝牙技术的实现方式，15.7蓝牙技术的应用，15.8蓝牙产品的现状和问题，15.1蓝牙的起源，蓝牙这个名字的由来是传奇。10世纪的北欧处于动荡时期，国家间战争频繁。丹麦国王哈拉德二世挺身而出，到处为和平呐喊。经过他不懈的努力，战争终于停止了，所有党派的领导人都坐到了谈判桌旁。至此，分裂的挪威和丹麦统一了。关于国王的名字有两种说法：一是他的全名是哈拉尔蓝牙王，在英语中的意思是“蓝牙”；还有一种说法是，英勇的丹麦国王非常喜欢吃蓝梅，他的牙齿被染成了蓝色，

2、所以蓝牙成为了他的昵称。1000年后的今天，电子设备技术在全世界迅速发展。瑞典爱立信公司于1994年成立了一个特别科学研究小组，研究手机及其配件的低能耗和低成本无线连接的可能性。他们最初的目的是在无线电话和个人计算机卡、耳机和桌面设备之间建立联系。然而，随着研究的深入，研究人员越来越意识到这项技术的独特个性和巨大商业潜力，并认识到依靠一个企业的力量是不可能继续研究的。因此，爱立信将其公之于众，并尽力说服其他企业加入其研究。他们的共同目标是在小范围内建立一种全球无线通信技术，并把这种技术命名为“蓝牙”，以表达在世界范围内推广这种全新的无线传输技术并实现其全球普及的雄心。1998年2月，瑞典的爱立

3、信、芬兰的诺基亚、日本的东芝、美国的IBM和英特尔这五家著名的制造商组成了一个特殊利益集团(有些书被翻译成特殊利益集团)SIG(特殊利益集团)。自此，蓝牙吸引了越来越多企业的关注。1999年11月，比尔盖茨专程去了拉斯维加斯一家只有11名员工的小公司，仅仅是因为该公司成功开发了一种带有蓝牙技术的徽章，然后微软宣布将加入SIG。目前，包括索尼、惠普和戴尔在内的2500多家公司已经签署了相关协议，加入该组织并分享这一先进技术，而且数量还在不断增长，从而在全球掀起了蓝牙热潮。如此多的精英公司集中在一种技术上，这在商业史上是前所未有的，一个开放的、全球统一的技术规范得到了业界如此广泛的关注和支持，这在

4、过去也是罕见的。这表明基于该技术的产品具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。15.2蓝牙技术概述蓝牙是一种开放的无线通信标准，设计者的初衷是用看不见的连接线代替电缆。它的目标和宗旨是：保持联系，不依赖电缆，拒绝插头，重塑人们的生活方式。它将取代目前的许多电缆连接方案，通过统一的短程无线链路，所有信息设备都可以穿墙或公文包，实现方便、快捷、灵活、安全、低成本、低功耗的语音和数据通信。它促进和扩大了无线通信的应用范围，使网络中的各种数据和语音设备能够相互连接和通信，从而实现个人领域快速灵活的数据和语音通信。“蓝牙”技术的目的是在短距离内实现特定移动电话、便携式计算机和各种便携式通信设备的主机之间的无

5、缝资源共享。蓝牙技术作为一种开放的全球无线数据和语音通信标准，基于低成本的短距离无线连接，为固定和移动设备之间的通信环境建立一种特殊的连接，完成数据信息的短距离无线传输。其基本内容是建立通用的无线电空中接口及其控制软件的开放标准，以便进一步与计算机结合通信，使不同制造商生产的便携式设备在近距离内具有互操作性，而无需相互连接电线或电缆。具体而言，“蓝牙”技术的功能是简化小型网络设备(如移动电脑、掌上电脑、移动电话)之间以及这些设备与互联网之间的通信，并避免在无绳电话或移动电话、调制解调器、耳机发射器/接收器、PDA、计算机、打印机、幻灯机、局域网等之间安装电线、电缆和连接器。此外，蓝牙技术还为现

6、有的数字网络和外围设备提供通用接口，以构建一组远离固定网络的个人专用连接设备。蓝牙技术使用全球2.45千兆赫兹(工业、科学、医学)频段，无需应用即可使用。以2.45千兆赫为中心频率，在该频段最多可设置79个带宽为1兆赫的信道。其收发器采用跳频预频谱技术，在2.45千兆赫的频带内以1600跳/秒的速率进行跳频通信。当传输带宽为1兆赫兹时，有效数据速率为721千字节/秒，最高数据速率可达1兆字节/秒。由于采用低功率时分复用(传输)，有效传输距离约为10米，使用功率放大器，传输距离可扩展至100米。蓝牙数据包在某一载频的某一时隙内传输，不同类型的数据(包括链路管理和控制消息)占用不同的信道，不同蓝牙

7、设备的跳频和时钟通过查询和寻呼过程同步。除了使用跳频扩频的低功率传输之外，蓝牙还使用认证和加密措施来提高通信安全性。图15-1蓝牙芯片。蓝牙支持点对点和点对多点连接。几个蓝牙设备可以通过无线方式连接成一个微微网，几个微微网可以互连成一个特殊的分布式网络，形成一个灵活的多微微网拓扑，从而实现各种设备之间的快速通信。它可以寻址一个微微网中的8个设备，其中1个是主设备，7个是从设备。蓝牙是一种低功耗的无线技术。当距离小于10m时，接收装置可以动态调节功率。当流量减少或停止时，蓝牙设备可以进入低功耗操作模式。功耗低，对人体危害小。蓝牙集成电路应用简单，成本低廉，易于实现和推广。该程序写在一个99毫米的

8、微芯片上，如图15-1所示。图的左端显示了天线和滤波器，右端显示了植入蓝牙(使用标准BGA封装)的单芯片电子元件。它可以方便地应用于电子产品，具有很强的便携性，可以应用于各种通信场合，如WAP、GSM、DECT等。引入身份识别后可以灵活漫游。例如，当引入移动电话和笔记本电脑时，可以建立无线通信。打印机、掌上电脑、台式计算机、传真机、键盘、操纵杆和所有其他数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。蓝牙是基于无线局域网的IEEE802.11标准技术。应用了“即插即用”的概念(有点类似于“即插即用”)，也就是说，一旦任何蓝牙设备搜索另一个蓝牙设备，它可以立即建立联系，而无需用户进行任何设置，因此它可以被解

9、释为“即时播放”。蓝牙技术涉及一系列软硬件技术、方法和理论，包括无线通信和网络技术、软件工程、软件可靠性理论、协议测试技术、规范描述语言、嵌入式实时操作系统(RTOS)、跨平台开发和用户界面图形技术、软硬件接口技术(如RS232、UART、USB等)。)，高集成度和低功耗的芯片技术等。目前，蓝牙技术主要是为了满足联邦通信委员会的要求。当在其他国家应用时，有必要进行一些自适应调整，例如发射功率和频带。蓝牙1.0规范公布的主要技术指标和系统参数见表15-1。表15-1蓝牙1.0技术指标和系统参数，15.3蓝牙技术特征，蓝牙技术是用无线电波代替移动设备使用的电缆而产生的。它试图以同样的成本和安全性完

10、成普通线缆的功能，使移动用户能够摆脱线缆的限制，这决定了蓝牙技术具有以下技术特征。低成本为了取代普通电缆，它必须与普通电缆具有相同的价格，这样它才能被普通消费者接受并推广这项技术。蓝牙的最终目标是以5美元的单价集成到CMOS芯片中。目前，蓝牙芯片的价格无法降低，这既有经济原因，也有技术原因。从技术角度看，蓝牙芯片集成了无线、基带和链路管理功能，链路管理功能可以通过硬件或软件实现。如果链路管理功能由软件实现，芯片将被简化，价格将变得合理。低功耗和小尺寸蓝牙技术原本旨在互连小型移动设备及其外围设备，其市场目标是移动笔记本电脑、移动电话、小型掌上电脑及其外围设备，因此蓝牙芯片必须具有低功耗和小尺寸的

11、特点，以便能够方便地集成到小型便携式设备中。蓝牙产品的输出功率非常小(只有1mW)，仅为微波炉和一小部分手机的百万分之一。3.短程通信蓝牙技术的通信距离为10米。如有必要，可以选择一个放大器将其扩展至100米。这足以在办公室任意放置外围设备，而不用担心电缆长度是否足够。4.安全性与其他无线信号一样，蓝牙信号很容易被截获，因此蓝牙协议提供了身份验证和加密功能，以确保链路级安全性。蓝牙系统的认证和加密服务由物理层提供，物理层采用流密码加密技术，适合硬件实现，密钥由高级软件管理。如果用户有更高的安全要求，他们可以使用更高级和更有效的传输层和应用层安全机制。身份验证可以有效防止欺骗和不必要的访问，而加

12、密可以保护链接隐私。此外，跳频技术的保密性和蓝牙有限的传输范围也使得窃听变得困难。然而，在提供链接级认证和加密的同时，它也阻碍了对一些公共应用模型的用户友好访问，例如服务发现和商业卡的虚拟交换。因此，为了满足这些不同的安全需求，蓝牙协议定义了三种安全模式。模式1不提供安全性，模式2提供服务级安全性，模式3提供链接级安全性。15.4蓝牙系统，通常由四个功能单元组成：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。1.蓝牙天线单元要求其天线部分小巧轻便，因此蓝牙天线属于微带天线。蓝牙空中接口基于0dB的天线电平。空中接口遵循0dB级的ISM频段的联邦通信委员会标准。链

13、路控制(固件)单元在当前的蓝牙产品中，使用三个集成电路作为连接控制器、基带处理器和射频发射器/接收器，还使用30 50个独立的调谐元件。基带链路控制器负责处理基带协议和其他低级常规协议。它有三种纠错方案：1/3比例前向纠错(FEC)码、2/3比例前向纠错码和自动重复请求(ARQ)方案。采用前向纠错(FEC)方案的目的是减少数据重传次数，降低数据传输负载。然而，为了实现无差错的数据传输，FEC必须产生一些不必要的开销比特来降低数据传输效率。这是因为数据分组被灵活地定义是否使用前向纠错。报头总是具有占总数1/3的前向纠错编码，它包含有用的链路信息。链路管理(软件)单元链路管理(LM)软件模块承载数

14、据设置、认证、链路硬件配置和链路的其他协议。LM可以发现其他远程LM，并通过LMP(链路管理协议)与它们通信。LM模块提供以下服务：发送和接收数据；请求名称；链接地址查询；建立联系；认证；链路模式协商和建立；确定框架的类型。此外，它还控制设备的工作状态，即嗅探、保持和停放模式。将设备设置为呼吸模式，主机只能在特定的时隙内定期发送数据，从机降低从机“监听”消息的速率，“呼吸”间隔可根据应用要求进行适当调整；将设备设置为保持模式，主机可以将从机设置为保持模式。在这种模式下，只有一个内部计数器在工作。从机也可以主动请求保持模式。一旦处于保持模式的单元被激活，数据传输立即再次开始。当连接了几个微微网或

15、低能耗设备(如温度传感器)时，通常使用保持模式。在暂留模式下，设备仍与微微网同步，但没有数据传输。在暂留模式下工作的设备会放弃媒体访问控制地址，偶尔会收听来自主机的消息，恢复同步，并检查广播消息。连接类型定义了在特定连接中可以使用哪种类型的数据包。蓝牙基带技术支持两种连接类型：面向同步连接(SCO)类型，主要用于传输语音；异步无连接(ACL)类型，主要用于传输数据包。蓝牙基带在物理层为用户提供保护和信息安全机制。身份验证基于“请求响应”算法。认证是蓝牙系统的关键部分，它允许用户为个人蓝牙设备建立信任域，例如，只允许所有者自己的笔记本电脑通过所有者自己的手机进行通信。加密用于保护连接的个人信息。

16、密钥由程序的较高级别管理。网络传输协议和应用可以为用户提供强大的安全机制。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在一起。它必须符合已建立的蓝牙规范。蓝牙配置文件是一个用于个人区域无线通信的协议，它包括两个部分：第一部分是核心部分，它指定了诸如射频、基带、连接管理、服务发现、传输层以及与不同通信协议的互操作性等组件；第二部分是协议配置文件部分，用于指定不同蓝牙应用程序所需的协议和程序(也称为使用模式)。蓝牙配置文件的协议栈仍然采用分层结构，执行数据流过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接建立和释放、链路控制、数据拆卸和组装、服务质量(QoS)、协议复用和解复用等功能。协议栈尤其是高层协议的设计原则是最大限度地重用现有协议，其高层应用协议(协议栈的垂直层)都使用公共的数据链路和物理层。蓝牙协议可分为四层，即核心协议层、电缆替换协议层、电话控制协议层和其他采用的协议层。在蓝牙协议栈中，还有一个主机控制接口(HCI)和一个音频接口。人机接口是基带控制器、链路管理器和访问硬件状态和控制寄存器的命令接口。音频数据可以通过直接与基带相连的音频接口在一个或多个蓝牙设备之间传输。通过蓝牙技术，