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蓝牙技术

蓝牙RF技术介绍


一、蓝牙技术概述

蓝牙作为一种短距离通信的无线电技术,能在包括笔记本电脑、智能手机、无线耳机、PDA等相关外设之间进行无线数据传输。利用“蓝牙”技术,能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信链接,也能够简化各类移动设备与因特网Internet之间的通信链接,从而使数据传输变得更加方便而且迅速高效,为无线通信拓宽应用领域。蓝牙技术采用时分双工传输方案实现全双工传输。采用分散式组网结构以及快速跳频和短包技术,支持点对点以及点对多点的通信方式,工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段。其2.0+EDR协议规定最高基带的数据传输速率为3Mb/s,采用数据分组(包)的形式以时隙为单位进行传送,每个时隙为625µs,而在蓝牙3.0和蓝牙4.0协议中采用了更高的数据传输速率。蓝牙技术支持实时的同步面向连接和非实时的异步无连接两种链路形式,即SCO链路和ACL链路。SCO链路的优先级要高于ACL链路。SCO链路主要用来传送语音等实时性强的信息,在规定的时隙内进行传输;ACL链路主要用来进行数据传输,可以在任意时隙传输。数据分组分为三大类:链路控制数据分组、SCO数据分组和ACL数据分组。SCO和ACL数据分组可分别定义12种,多数数据分组只占用1个时隙,有些数据分组占用3个或者5个时隙。

多个蓝牙设备相互连接可以组成成一个蓝牙微微网(Piconet)。一个微微网只有一个主设备,一个主设备最多可以与七个活动的从设备构成一个蓝牙微微网(Piconet),同时还可以有多个休眠(Parked)设备隶属于该主设备。散射网是多个蓝牙微微网相互重叠而组成的,比微微网覆盖范围更大的网络。多个微微网可以构成蓝牙散射网(Scatternet),每个微微网都有自己特定的跳频序列,为了降低同频干扰,它们之间并不同步跳频。通过时分复用的机制从设备可以加入不同的微微网,而且一个微微网的主设备可以成为另一个微微网的从设备。

和许多其他通信系统一样,蓝牙的通信协议也采用层次式的结构。蓝牙标准协议可以分为4个层次:核心协议层、电话控制协议层、电缆替代协议层、可选协议层。蓝牙的核心协议包括基带协议(Baseband)、链路管理协议(LMP)、逻辑链路控制与适应协议(L2CAP)和业务搜寻协议(SDP)四部分;电缆替代协议层包括基于TS 07.10的RFCOMM协议;电话控制协议层包括TCS二进其制、AT命令集;可选协议根据不同的应用可以包括很多,例如PPP、OBEX、WAP、vCard、UDP/TCP/IP、vCal、IrMC以及WAE等。除上述协议层外,规范还定义了主机控制器接口HCI(Host Control Interface),它为基带控制器、硬件状态、链路管理器和控制寄存器提供命令接口。蓝牙协议以HCI层作为分界线,将协议分为底层和高层。底层为各类应用协议所通用,高层则视具体应用而实现不同的功能,通过HCI来实现高层和底层协议的连接。蓝牙协议的分层结构使蓝牙设备具有很好的灵活性和通用性。不同的蓝牙设备在任何地方,都可以通过自动查询或者人工的方式来发现其它的蓝牙设备,从而组成微微网或者散射网,能够非常灵活方便的实现蓝牙协议规定的各类的功能。

蓝牙技术主要应用于短距离无线通信场合,其特点是低功耗、低成本、易使用;蓝牙在激活(Active)状态下的发射功率最大为100mW,同时蓝牙也提供了多种节能工作模式:保持(Hold)模式、侦听(Sniff)模式和休眠(Park)模式;这些模式能够有效降低了蓝牙的整体功耗;蓝牙采用的各个方面的技术都是相对来说比较简单和成熟;比如在调制解调方面,采用了最小高斯频移键控(GFSK)方式;在纠、检错方面,采用1/3和2/3前向纠错编码(FEC)和16位的循环冗余校验(CRC);这些技术都能够利用较为简单的电路实现,能够以较低的成本实现。

二、蓝牙RF技术基础

蓝牙无线设备工作在2.4GHz的ISM(工业、科学和医疗)频段;该频段虽然为全球通用,但实际上各个国家在频率和带宽都会有一些差异;在美国和欧洲,使用的带宽为83.5MHz,在该频段里,以1MHz的带宽为间隔设立了79个射频跳频点。在日本、西班牙和法国,缩减了带宽,在该频段里设立了23个射频跳频点,其带宽仍以1MHz为间隔。

信道由79或23个射频跳频点的跳频序列来表示,为了对抗干扰和衰落,使用一组伪随机跳频序列;跳频序列由主设备的48位地址确定,而且对同一微微网是唯一的,跳频序列的相位由主设备的时钟来确定。以时隙的形式来划分信道,且每一个时隙对应一个射频跳频点。连续跳频规则对应于不同的射频跳频模式,在连接状态下跳频的频率为1600跳/秒,而其他状态为3200跳/秒,整个微微网的全部蓝牙设备与主设备信道保持时间和跳频频率的同步。蓝牙的物理信道是由伪随机序列生成的79个跳频信道构成。

2.1时隙

依据微微网主单元蓝牙时钟来对时隙进行编号,蓝牙的信道被分成长度为625ms的时隙;时隙的循环周期是227,编号区域为0~227-1。在各时隙中,主单元和从单元都能够进行数据分组传输。

在蓝牙系统中,主、从单元采用时分双工(TDD)交替传输的方式进行分组传输,所以,在蓝牙标准协议中规定主单元采用偶数编号的时隙进行数据信息传输,而从单元则在奇数编号时隙进行数据传输;分组起始位置与时隙起始点相吻合;在需要高速数据传输的情况下,由主单元或从单元传输的分组最多可以扩展到5个时隙,时分双工(TDD)和定时工作方式如图2.4所示。

图 2.4 主从设备传输分组时序

在分组传输期间射频的跳频频率保持不变;对于多时隙分组而言,射频跳频以第一个分组时隙的时钟值为作为整个分组的基准点;对于单时隙的分组,射频跳频以当前的蓝牙时钟值作为基准点;在多时隙分组的第一个时隙里的射频跳频频率将由当前蓝牙时钟值确定的频率;图2.5给出了单时隙和多时隙分组的跳频定义的示意图;如果分组占有多于一个的时隙,那么分组开始传输时采用的跳频频率就是系统所采用的跳频频率。

图 2.5 主从设备传输分组时序和多时隙分组

2.2调制与比特率

蓝牙射频采用是高斯频移键控(GFSK,Gaussian Frequency Shift Keying)的调制方式;在蓝牙1.2协议中,所有的数据分组均使用GFSK调制解调方式,其数据传输速率为1Mbps。

在蓝牙2.0+EDR模式下,协议增加了移相键控(Phase-shift keying,PSK)调制方式,其数据分组的分组头和接入码仍采用GFSK调制解调方式,数据载荷部分则使用相移π/4弧度的四相相对移相键控(π/4-DQPSK)或八相差分移相键控(8DPSK)调制解调方式,实现数据传输速率为2Mbps或3Mbps。

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