短距離無線通信系統(tǒng)及仿真課件 第十六講 藍牙技術

藍牙技術的特點藍牙是一種近距離無線通信技術規(guī)范，用來描述和規(guī)定各種電子產(chǎn)品相互之間是如何用短距離無線電系統(tǒng)進行連接的。藍牙實現(xiàn)無線連接無需基站，它的核心是一塊大小約9mm×9mm的芯片，這個芯片能實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)在短距離上的穩(wěn)定無縫無線連接。這種連接是開放式的，再加上芯片體積十分小，因此能夠方便的嵌入設備中，應用于各種需要在網(wǎng)絡上傳輸數(shù)據(jù)和語音的設備。

如圖所示。圖的左端為天線和濾波器，右端為單芯片的植入藍牙的電子元件（采用標準的BGA封裝方式）?？梢院芊奖愕貞糜陔娮赢a(chǎn)品中，有很強的移植性，可隨時隨地應用于多種通信場合。（a）（b）Oneofthefirstmodules(Ericsson)藍牙技術具有電路交換和分組交換兩種數(shù)據(jù)傳輸類型，能夠同時支持語音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸?；谀壳癙STN網(wǎng)絡的語音業(yè)務的實現(xiàn)是通過電路交換；而基于互聯(lián)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸為分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務主設備是組網(wǎng)連接主動發(fā)起連接請求的藍牙設備，幾個藍牙設備連接成一個皮網(wǎng)(Piconet)時，其中只有一個主設備，其余的均為從設備。藍牙工作在2.4G的ISM頻段，全球大多數(shù)國家ISM頻段的范圍是2.4G－2.4835GHz藍牙技術通信距離為10M，可根據(jù)需要擴展至100M，以滿足不同設備的需要。藍牙采用了跳頻方式來擴展頻譜，抵抗力來自這些設備的干擾。提供了認證和加密的功能，以保證鏈路級的安全。藍牙設備在通信連接狀態(tài)下，有四種工作模式：激活模式，呼吸模式，保持模式和休眠模式，激活模式是正常的工作狀態(tài)，另外三種模式是為了節(jié)能所規(guī)定的低功耗模式。藍牙技術工作在全球共用的ISM頻段，即2.4GHz頻段。ISM頻段是指用于工業(yè)、科學和醫(yī)學的全球共用頻段，可以免費使用而不用申請無線電頻率許可。藍牙的基本出發(fā)點是可使其設備能夠在全球范圍內(nèi)應用于任意的小范圍通信。任一藍牙設備，都可根據(jù)IEEE802標準得到一個唯一的48bit的地址，它是一個公開的地址碼，可以通過人工或自動進行查詢。由于ISM頻段為對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻段，為了避免與工作在該頻段的其他系統(tǒng)(如Wi-Fi、ZigBee)或設備(微波爐)產(chǎn)生相互干擾，藍牙系統(tǒng)通過性能良好的算法（如快速跳頻）保證藍牙鏈路的穩(wěn)定性。藍牙技術具有電路交換和分組交換兩種數(shù)據(jù)傳輸類型，能夠同時支持語音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸?；谀壳癙STN網(wǎng)絡的語音業(yè)務的實現(xiàn)是通過電路交換；而基于互聯(lián)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸為分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務主設備是組網(wǎng)連接主動發(fā)起連接請求的藍牙設備，幾個藍牙設備連接成一個皮網(wǎng)(Piconet)時，其中只有一個主設備，其余的均為從設備。藍牙工作在2.4G的ISM頻段，全球大多數(shù)國家ISM頻段的范圍是2.4G－2.4835GHz藍牙技術通信距離為10M，可根據(jù)需要擴展至100M，以滿足不同設備的需要。藍牙采用了跳頻方式來擴展頻譜，抵抗力來自這些設備的干擾。提供了認證和加密的功能，以保證鏈路級的安全。藍牙設備在通信連接狀態(tài)下，有四種工作模式：激活模式，呼吸模式，保持模式和休眠模式，激活模式是正常的工作狀態(tài)，另外三種模式是為了節(jié)能所規(guī)定的低功耗模式。無連接的多個藍牙設備相互靠近時，若有一個設備主動向其他設備發(fā)起連接，它們就形成了一個微微網(wǎng)(Piconet)。微微網(wǎng)中標志了終端的四種狀態(tài)，主“M”、從“S”、備用“SB”、暫停/掛起“P”。主動發(fā)起連接的設備稱為微微網(wǎng)的主設備(Master)，對主設備的連接請求進行響應的設備稱為從設備(Slave)。一個微微網(wǎng)只有一個主設備，一個主設備最多可以同時與7個從設備同時進行通信。（1）主設備與從設備微微網(wǎng)的最簡單組成形式就是兩個藍牙設備的點對點連接。微微網(wǎng)是實現(xiàn)藍牙無線通信的最基本方式，微微網(wǎng)不需要類似于蜂窩網(wǎng)基站和無線局域網(wǎng)接入點之類的基礎網(wǎng)絡設施（對等網(wǎng)絡）。在藍牙拓撲中，允許“S”型終端存在于多個微微網(wǎng)中。在微微網(wǎng)中，“M”終端可同時處理7個甚至更多個活動的從設備。終端如不能接入網(wǎng)絡，則轉為“SB”狀態(tài)，等待一段時間后再進入微微網(wǎng)。無通信可處于暫停/掛起狀態(tài)即“P”狀態(tài)，以低功率連接。（2）微微網(wǎng)與散射網(wǎng)微微網(wǎng)結構及實例主設備單元負責提供時鐘同步信號和跳頻序列，從設備單元一般是受控同步的設備單元，接收主設備單元的控制。散射網(wǎng)(ScatterNet)是多個微微網(wǎng)在時空上相互重疊組成的比微微網(wǎng)覆蓋范圍更大的藍牙網(wǎng)絡，如圖3-5所示。雖然每個微微網(wǎng)只有一個主設備，但是從設備可以基于時分復用(TimeMultiplexing)機制加入不同的微微網(wǎng)，而且一個微微網(wǎng)的主設備可以成為另一個微微網(wǎng)的從設備。每個微微網(wǎng)都有自己的跳頻序列，它們之間并不跳頻同步，這樣就避免了同頻干擾。藍牙技術具有電路交換和分組交換兩種數(shù)據(jù)傳輸類型，能夠同時支持語音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸?；谀壳癙STN網(wǎng)絡的語音業(yè)務的實現(xiàn)是通過電路交換；而基于互聯(lián)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸為分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務主設備是組網(wǎng)連接主動發(fā)起連接請求的藍牙設備，幾個藍牙設備連接成一個皮網(wǎng)(Piconet)時，其中只有一個主設備，其余的均為從設備。藍牙工作在2.4G的ISM頻段，全球大多數(shù)國家ISM頻段的范圍是2.4G－2.4835GHz藍牙技術通信距離為10M，可根據(jù)需要擴展至100M，以滿足不同設備的需要。藍牙采用了跳頻方式來擴展頻譜，抵抗來自其它設備的干擾。提供了認證和加密的功能，以保證鏈路級的安全。藍牙設備在通信連接狀態(tài)下，有四種工作模式：激活模式，呼吸模式，保持模式和休眠模式，激活模式是正常的工作狀態(tài)，另外三種模式是為了節(jié)能所規(guī)定的低功耗模式。（1）跳頻技術跳頻技術是把頻帶分成若干個跳頻信道（hopchannel），在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列（即一定的規(guī)律，技術上叫做“偽隨機碼”，就是“假”的隨機碼）不斷地從一個信道“跳”到另一個信道，只有收發(fā)雙方是按這個規(guī)律進行通信的，而其他的干擾不可能按同樣的規(guī)律進行干擾。跳頻的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術使這個窄帶寬成百倍地擴展成寬頻帶，使干擾可能的影響變成很小。（2）國際上藍牙的頻率分配藍牙利用波段中的2.4GHz波段。在大多數(shù)國家，此帶寬足以定義79個1MHz的物理信道。藍牙鏈路建立后發(fā)送數(shù)據(jù)時藍牙接收和發(fā)送裝置按照一定的偽隨機編碼序列快速地進行信道跳轉，每秒鐘頻率改變1600次，每個頻率持續(xù)625μs。但在建鏈時(包括尋呼和查詢)則提高為3,200跳每秒。使用這樣高的跳頻速率，藍牙系統(tǒng)具有足夠高的抗干擾能力。此外藍牙協(xié)議提供了認證和加密(128bitkey)功能，以保證鏈路級的安全。藍牙系統(tǒng)認證與加密服務由物理層提供，適合于硬件實現(xiàn)，密鑰由高層軟件管理。（3）藍牙系統(tǒng)的跳頻知識點回顧1、全球范圍適用：工作在（）的ISM頻段，全球大多數(shù)國家ISM頻段的范圍是2.4G－2.4835GHz2、同時傳輸語音和數(shù)據(jù)：藍牙技術具有（）和（）兩種數(shù)據(jù)傳輸類型，能夠同時支持語音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸。其中PSTN網(wǎng)絡的語音業(yè)務的實現(xiàn)是通過（）；而基于互聯(lián)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸為（）數(shù)據(jù)業(yè)務3、近距離通信：藍牙技術通信距離為（），可根據(jù)需要擴展至100M，以滿足不同設備的需要4、很好的抗干擾能力和安全性：藍牙采用了（）方式來擴展頻譜，抵抗力來自其它設備的干擾。藍牙鏈路建立后發(fā)送數(shù)據(jù)時藍牙接收和發(fā)送裝置按照一定的偽隨機編碼序列快速地進行信道跳轉，每秒鐘頻率改變（）次，每個頻率持續(xù)625μs。藍牙技術的特點：5、可建立臨時對等連接：由采用藍牙技術的設備以特定方式組成的網(wǎng)路稱為（）。微微網(wǎng)的建立是由兩臺設備的連接開始，主動發(fā)起連接的設備稱為（）(Master)，其時鐘和跳頻序列用于同步其他設備；對主設備的連接請求進行響應的設備稱為（）(Slave)。一個微微網(wǎng)只有（）個主設備，一個主設備最多可以同時與（）個從設備同時進行通信。微微網(wǎng)中標志了終端的四種狀態(tài)，（）“M”、（）“S”、（）“SB”、（）“P”。散射網(wǎng)(ScatterNet)是多個微微網(wǎng)在時空上相互重疊組成的比微微網(wǎng)覆蓋范圍更大的藍牙網(wǎng)絡，雖然每個微微網(wǎng)只有一個主設備，但是從設備可以基于時分復用(TimeMultiplexing)機制加入不同的微微網(wǎng)，而且一個微微網(wǎng)的主設備可以成為另一個微微網(wǎng)的從設備。每個微微網(wǎng)都有自己的跳頻序列，它們之間并不跳頻同步，這樣就避免了同頻干擾。藍牙技術具有電路交換和分組交換兩種數(shù)據(jù)傳輸類型，能夠同時支持語音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸。基于目前PSTN網(wǎng)絡的語音業(yè)務的實現(xiàn)是通過電路交換；而基于互聯(lián)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸為分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務主設備是組網(wǎng)連接主動發(fā)起連接請求的藍牙設備，幾個藍牙設備連接成一個皮網(wǎng)(Piconet)時，其中只有一個主設備，其余的均為從設備。藍牙工作在2.4G的ISM頻段，全球大多數(shù)國家ISM頻段的范圍是2.4G－2.4835GHz藍牙技術通信距離為10M，可根據(jù)需要擴展至100M，以滿足不同設備的需要。藍牙采用了跳頻方式來擴展頻譜，抵抗力來自這些設備的干擾。提供了認證和加密的功能，以保證鏈路級的安全。藍牙設備在通信連接狀態(tài)下，有四種工作模式：激活模式，呼吸模式，保持模式和休眠模式，激活模式是正常的工作狀態(tài)，另外三種模式是為了節(jié)能所規(guī)定的低功耗模式。藍牙支持64kb/s的實時語音傳輸和各種速率的數(shù)據(jù)傳輸。語音編碼采用脈沖編碼調(diào)制（PCM）或連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（CVSD）。語音和數(shù)據(jù)可單獨或同時傳輸。當僅傳輸語音時，藍牙設備最多可同時支持3路全雙工的話音通信；當語音和數(shù)據(jù)同時傳輸或僅傳輸數(shù)據(jù)時，支持433.9kb/s的對稱全雙工通信，或723.2kb/s、57.6kb/s的非對稱雙工通信，后者特別適合無線訪問Internet。藍牙技術具有電路交換和分組交換兩種數(shù)據(jù)傳輸類型，能夠同時支持語音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務的傳輸?；谀壳癙STN網(wǎng)絡的語音業(yè)務的實現(xiàn)是通過電路交換；而基于互聯(lián)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸為分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務主設備是組網(wǎng)連接主動發(fā)起連接請求的藍牙設備，幾個藍牙設備連接成一個皮網(wǎng)(Piconet)時，其中只有一個主設備，其余的均為從設備。藍牙工作在2.4G的ISM頻段，全球大多數(shù)國家ISM頻段的范圍是2.4G－2.4835GHz藍牙技術通信距離為10M，可根據(jù)需要擴展至100M，以滿足不同設備的需要。藍牙采用了跳頻方式來擴展頻譜，抵抗力來自這些設備的干擾。提供了認證和加密的功能，以保證鏈路級的安全。藍牙設備在通信連接狀態(tài)下，有四種工作模式：激活模式，呼吸模式，保持模式和休眠模式，激活模式是正常的工作狀態(tài)，另外三種模式是為了節(jié)能所規(guī)定的低功耗模式。不同等級的發(fā)射功率和傳輸距離ClassMaximumpermittedpowerRange

(m)(mW)(dBm)Class110020~100Class22.54~10Class310~1藍牙設備由于定位于短距離通信，射頻功率很低。藍牙設備在通信連接狀態(tài)下，有四種工作模式：激活(Active)模式、呼吸(Sniff)模式、保持(Hold)模式和休眠(Park)模式。激活(Active)模式是正常的工作狀態(tài)，另外三種模式是為了節(jié)能所規(guī)定的低功耗模式。呼吸(Sniff)模式下的從設備周期性被激活；保持(Hold)模式下的從設備停止監(jiān)聽來自主設備的數(shù)據(jù)分組，但保持其激活成員地址；休眠(Park)模式下的主從設備間仍保持同步，但從設備不需要保留其激活成員地址。這三種模式中，呼吸模式的功耗最高，對于主設備的響應最快；休眠模式的功耗最低，但是對于主設備的響應最慢。藍牙設備的功耗能夠根據(jù)使用模式自動調(diào)節(jié)，藍牙設備的正常工作功率為1mW，發(fā)射距離為10m，最大發(fā)射距離可達100m，基本可以滿足常見的短距離無線通信需要。當傳輸數(shù)據(jù)量減少或