蓝牙技术原理及应用全解

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蓝牙的技术介绍
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蓝牙的技术原理
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蓝牙的主要特点
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蓝牙的应用
蓝牙技术原理
蓝牙的主要技术 蓝牙的系统组成ຫໍສະໝຸດ 蓝牙的核心协议蓝牙的主要技术
蓝牙以无线LANs的IEEE802.11标准技术为基础。 应用了“Plonkandplay”的概念（类似“即插即用”） ，即任一蓝牙设备一旦搜寻到另一个蓝牙设备，马上就 可以建立联系，而无需用户进行任何设置，因此可以解 释成“即连即用”。蓝牙技术涉及一系列软硬件技术、 方法和理论，包括：无线通信与网络技术、软件工程、 软件可靠性理论、协议的测试技术、规范描述语言、嵌 入式实时操作系统（EmbeddedRTOS）、跨平台开发 和用户界面图形化技术、软硬件接口技术（如RS232， UART，USB等），高集成、低功耗芯片技术等。
蓝牙技术原理及应用
主讲：周洋 制作: 汪翔
吴智星
前言
蓝牙，是一种支持设备短距离通信(一般10m内)的无 线电技术，经过近几年的发展，我们对它已不再陌生，它 也是目前数码产品中不可或缺的模块。蓝牙技术的出现让 我们在连接各种设备的时候不再被繁多的数据线所束缚， 比如音响、电脑、鼠标、键盘，甚至是汽车。这技术是在 两个设备间进行无线短距离通信的最 简单、最便捷的方 法，也能够简化设备与因特网Internet之间的通信，从而 数据传输变得更加迅速高效。
蓝牙的核心协议
逻辑链路控制与适应协议（L2CAP）完成基带与高 层协议间的适配，并通过协议复用、分用及重组操作为 高层提供数据业务和分类提取，它允许高层协议和应用 接收或发送长达64000字节的L2CAP数据包。业务搜寻 协议（SDP）是极其重要的部分，它是所有使用模式的 基础。通过SDP，可以查询设备信息、业务及业务特征 ，并在查询之后建立两个或多个蓝牙设备间的连接。 SDP支持３种查询方式：按业务类别搜寻、按业务属性 搜寻和业务浏览（browsing）.
蓝牙技术介绍
若以2.45GHz为中心频率，在这个频段上最多可设 立79个带宽为1MHz的信道。其收发信机采用跳频扩谱 技术，在2.45GHzISM频段上以1600跳/秒的速率进行 跳频通信在发射带宽为1MHz时，其有效数据速率为 721kb/s，最高数据速度可达1Mb/s。由于采用低功率 时分复用方式工作（发射），其有效传输距离大约为 10m，加上功率放大器时，传输距离可扩大到100m。 蓝牙数据包在某个载频上的某个时隙内传递，不同类型 的数据（包括链路管理和控制消息）占用不同信道，并 通过查询（Inquiry）和寻呼（Paging）过程来同步跳 频频率和不同蓝牙设备的时钟。除采用跳频扩谱的低功 率传输外，蓝牙还采用鉴权和加密等措施来提高通信的 安全性。
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蓝牙技术原理
蓝牙的主要技术 蓝牙的系统组成 蓝牙的核心协议
蓝牙的核心协议
蓝牙的核心协议由基带、链路管理（LMP）、逻辑 链路控制与适应协议（L2CAP）和业务搜寻协议（ SDP）等四部分组成。从应用的角度看，射频、基带和 LMP可以归为蓝牙的低层协议，它们对应用而言是十 分透明的。基带和LMP负责在蓝牙单元间建立物理射 频链路，构成微微网。此外，LMP还要完成像鉴权和 加密等安全方面的任务，包括生成和交换加密键、链路 检查、基带数据包大小的控制、蓝牙无线设备的电源模 式和时钟周期、微微网内蓝牙单元的连接状态等。
蓝牙的系统组成
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。LM 模块提供如下服务： 1.发送和接收数据；2.请求名称；3.链路地址查询；4. 建立连接；5.鉴权；链路模式协商和建立；6.决定帧的 类型；7.将设备设为sniff（呼吸）模式。Master（主 机）只能有规律地在特定的时隙发送数据。将设备设为 Hold(保持模式)。工作在hold模式的设备为了节能在一 个较长的周期内停止接收数据，每一次激活链路，这由 LM定义，LC（链路控制器）具体操作.
蓝牙的系统组成
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。LM 模块提供如下服务： 1.发送和接收数据；2.请求名称；3.链路地址查询；4. 建立连接；5.鉴权；链路模式协商和建立；6.决定帧的 类型；7.将设备设为sniff（呼吸）模式。Master（主 机）只能有规律地在特定的时隙发送数据。将设备设为 Hold(保持模式)。工作在hold模式的设备为了节能在一 个较长的周期内停止接收数据，每一次激活链路，这由 LM定义，LC（链路控制器）具体操作.
1.2 同样是只有 748~810kb/s 的传输率，但在 加上了(改善 Software)抗干扰跳频功能。
蓝牙技术介绍
蓝牙2.0标准 2.0 是 1.2 的改良提升版，传输率约在
1.8M/s~2.1M/s，开始支持双工模式——即一面作语 音通讯，同时亦可以传输档案/高质素图片，2.0 版 本当然也支持 Stereo 运作。Bluetooth 2.0+EDR标 准在技术上作了大量的改进，但从1.X标准延续下来 的配置流程复杂和设备功耗较大的问题依然存在。 蓝牙2.1标准
分体积十分小巧、重量 轻，因此，蓝牙天线属 于微带天线。蓝牙空中 接口是建立在天线电平 为０dB的基础上的。 空中接口遵循有关电平 为０dB的ISM频段的 标准
蓝牙的系统组成
链路控制（固件）单元： 基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层
常规协议。它有３种纠错方案：１／３比例前向纠错（ FEC）码、２／３比例前向纠错码和数据的自动请求重 发方案。采用FEC（前向纠错）方案的目的是为了减少 数据重发的次数，降低数据传输负载。但是，要实现数 据的无差错传输，FEC就必然要生成一些不必要的开销 比特而降低数据的传送效率。这是因为数据包对于是否 使用FEC是弹性定义的。报头总有占１／３比例的FEC 码起保护作用，其中包含了有用的链路信息。
蓝牙的系统组成
软件（协议）单元： 蓝牙的软件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、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。
2007年8月2日，蓝牙技术联盟今天正式批准了 蓝牙2.1版规范，即“蓝牙2.1+EDR”，可供未来的 设备自由使用。和2.0版本同时代产品，目前仍然占 据蓝牙市场较大份额，相对2.0版本主要是提高了待 机时间2倍以上，技术标准没有根本性变化。
蓝牙技术介绍
蓝牙3.0标准 2009年4月21日，蓝牙技术联盟(Bluetooth
蓝牙4.0标准 蓝牙4.0规范于2010年7月7日正式发布，新版
本的最大意义在于低功耗，同时加强不同OEM厂商 之间的设备兼容性，并且降低延迟，理论最高 传输 速度依然为24Mbps(即3MB/s)，有效覆盖范围扩大 到100米(之前的版本为10米)。该标准芯片被大量的 手机、平板所采用，如苹果The New iPad平板电脑 ，以及苹果iPhone 5、魅族MX4、HTC One X等手 机上带有蓝牙4.0功能。
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 )，蓝牙3.0的核心是"Generic Alternate MAC/PHY"(AMP)，这是一种全新的交替射频技术 ，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射 频。
蓝牙技术原理
蓝牙的主要技术 蓝牙的系统组成 蓝牙的核心协议
蓝牙的系统组成
蓝牙系统一般由 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。
注:每个独立的同步蓝牙网络就被称为一个微微网（piconet）。
蓝牙的系统组成
天线单元： 蓝牙要求其天线部
蓝牙技术介绍
蓝牙4.2标准 2014年12月4日，最新的蓝牙4.2标准颁布，改
善了数据传输速度和隐私保护程度，并接入了该设 备将可直接通过IPv6和6LoWPAN接入互联网。在 新的标准下蓝牙信号想要连接或者追踪用户设备必 须经过用户许可，否则蓝牙信号将无法连接和追踪 用户设备。
速度方面变得更加快速，两部蓝牙设备之间的 数据传输速度提高了2.5倍，因为蓝牙智能 (Bluetooth Smart)数据包的容量提高，其可容纳的 数据量相当于此前的10倍左右。
蓝牙技术介绍
蓝牙是一个开放性的无线通信标准，设计者的初 衷是用隐形的连接线代替线缆。其目标和宗旨是： 保持联系，不靠电缆，拒绝插头，并以此重塑人们 的生活方式。它将取代目前多种电缆连接方案，通 过统一的短程无线链路，在各信息设备之间可以穿 过墙壁或公文包，实现方便快捷、灵活安全、低成 本小功耗的话音和数据通信。 它推动和扩大了无线 通信的应用范围，使网络中的各种数据和语音设备 能互连互通，从而实现个人区域内的快速灵活的数 据和语音通信。“蓝牙”技术的目的是使特定的移 动电话、便携式电脑以及各种便携式通信设备的主 机之间在近距离内实现无缝的资源共享。。
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蓝牙的技术介绍
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蓝牙的技术原理
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蓝牙的主要特点
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蓝牙的应用
蓝牙技术介绍
蓝牙已经经过8个版本的更新，分别为1.1、1.2、 2.0、2.1、3.0、4.0、4.1、4.2。
蓝牙1.1标准 1.1 为最早期版本，传输率约在748~810kb/s，
因是早期设计，容易受到同频率之产品所干扰下影 响通讯质量。 蓝牙1.2标准
蓝牙技术介绍
蓝牙4.1标准 蓝牙4.1于2013年12月6日发布，与LTE无线电
信号之间如果同时传输数据，那么蓝牙4.1可以自动 协调两者的传输信息，理论上可以减少 其它信号对 蓝牙4.1的干扰。改进是提升了连接速度并且更加智 能化，比如减少了设备之间重新连接的时间，意味 着用户如果走出了蓝牙4.1的信号范围并且断 开连接 的时间不算很长，当用户再次回到信号范围中之后 设备将自动连接，反应时间要比蓝牙4.0更短。最后 一个改进之处是提高传输效率，如果用户连接的设 备 非常多，比如连接了多部可穿戴设备，彼此之间 的信息都能即时发送到接接收设备上。
蓝牙技术介绍
具体地说，“蓝牙”技术的作用就是简化小型网络 设备（如移动PC、pad、手机）之间以及这些设备与 Internet之间的通信，免除在无绳电话或移动电话、调 制解调器、PDA、计算机、打印机、局域网等之间加 装电线、电缆和连接器。此外，蓝牙技术还为已存在的 数字网络和外设提供通用接口以组建一个远离固定网络 的个人特别连接设备群。蓝牙技术使用全球通行的、无 需申请即可使用的2.45GHzISM（工业Industry、科学 Science、医学Medicine）频段。
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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)。在传输速度上，蓝牙3.0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，但是需要双方都 达到此标准才能实现功能。
蓝牙技术介绍