蓝牙技术原理

蓝牙技术原理

蓝牙技术原理2008-05-25 17:16蓝牙作为一种新的短距离无线通信技术标准，具有广泛的应用前景，正受到全球各界的广泛关注。新兴的蓝牙技术已从萌芽期进入了发展期，尽管和其他短距离无线技术相比（如：IEEE802.11b、HomeRF、IrDA），蓝牙技术的优势还存在很大的争议。但是，趋于成熟的蓝牙产品进入市场仍是必然的趋势。

蓝牙技术有以下特点：支持用户在许多设备之间进行无线数据交换及文件同步，使移动电话、便携式计算机以及各种便携式通信设备之间在近距离内资源共享；支持非可视范围内的通信与连接，且能在移动中进行无线连接和通信；支持无线设备到有线网络之间的无线连接，只要连接到局域网的蓝牙接入点，就可以实现有线局域网的无线数据连接；支持电路交换与分组交换，支持语音、数据和视频信号传输。

蓝牙无线技术采用的是一种扩展窄带信号频谱的数字编码技术，通过编码运算增加了发送比特的数量，扩大了使用的带宽。蓝牙使用跳频方式来扩展频谱。跳频扩频使得带宽上信号的功率谱密度降低，从而大大提高了系统抗电磁干扰、抗串话干扰的能力，使得蓝牙的无线数据传输更加可靠。

在频带和信道分配方面，蓝牙系统一般工作在2.4GHz的ISM频段。起始频率为

2.402GHz，终止频率为2.480GHz，还在低端设置了2MHz的保护频段，高端设置了

3.5MHz 的保护频段。共享一个公共信道的所有蓝牙单元形成一个微网，每个微网最多可以有8个蓝牙单元。在微网中，同一信道的各单元的时钟和跳频均保持同步。

蓝牙具有以下的射频收发特性。蓝牙采用时分双工传输方案，使用一个天线利用不同的时间间隔发送和接收信号，且在发送和接收信息中通过不断改变传输方向来共用一个信道，实现全双工传输；蓝牙发射功率可分为3个级别：100mW、2.5mW和1mW。一般采用的发送功率为1mW，无线通信距离为10m，数据传输速率达1Mb/s。若采用新的蓝牙2.0标准，发送功率为100mW，可使蓝牙的通信距离达100m，数据传输速率也达到10Mb/s。除此之

外，蓝牙标准还对收发过程的寄生辐射、射频容限、干扰和带外抑制等做了详尽的规定，以保证数据传输的安全。

蓝牙无线设备实现串行通信是通过无线射频链接，利用蓝牙模块实现。蓝牙模块主要由无线收发单元、链路控制单元和链路管理及主机I/O这3个单元组成。就蓝牙射频模块来说，为了在提高收发性能的同时减小器件的体积和成本，各公司都采用了自己特有的一些技术，从而使蓝牙射频模块的结构都不尽相同。但就其基本原理来说，蓝牙射频模块一般由接收模块、发送模块和合成器这三个模块组成。

当射频模块在接收模式下时，信号由天线接收，经过滤波器和收发控制开关进入接收模块。接收模块首先通过巴伦将从收发控制模块传来的不平衡信号转为平衡信号（这样可以得到较高的共模抑制比）；然后通过一个低噪放大器将接收的微弱信号放大，最后在解调电路中与从合成器提供的本振信号作用，将载波信号解调输出。

当射频模块在发送模式下，数据由基带模块输入，在合成器中进行载波调制，调制后的信号进入发送模块。在发送模块中，收发控制线选通低噪放大器，将调制信号放大，并由巴伦转为非平衡信号输出至收发控制开关。再由收发控制线选通至滤波器，通过天线向外发送。

合成器是收发模块中最关键的部分。合成器在频道选择和接收模式时采用锁相环技术。在接收模式下，锁相环路闭合，用于提供接收模块解调信号所需稳定的本振。在发送模式下，锁相环路开路，调制信号直接加载到VCO上对载波进行调制。此时载波频率由环路滤波器输出电压保持。通常合成器的工作频率仅为发射频率的一半，以减少与射频放大器的耦合。============================

蓝牙无线技术是一种短距离通信系统，旨在取代连接便携设备和/或固定电子设备的缆线。蓝牙无线技术的主要特点在于功能强大、耗电量低、成本低廉。核心规格的许多功能均为可选功能，以实现产品多样性。蓝牙核心系统包括射频收发器、基带及协议堆栈。该系统可以提供设备连接服务，并支持在这些设备之间交换各种类别的数据。操作概览蓝牙射频（物

理层）在无需申请许可证的2.4GHz ISM 波段运行。系统采用了跳频收发器来防止干扰和衰落，并提供多个FHSS（跳频扩频）载波。射频操作采用了成形的二进制频率调制，降低了收发器复杂性。符率为每秒1 兆符(Msps)，支持每秒1 兆位(Mbps) 的比特率；对于增强的数据率，可支持2 或3Mb/s 的总空气比特率。这些模式分别称为“基本速率”和“增强数据率”。在一般操作情况下，同步至共用时钟及跳频图的一组设备将共享一个物理无线电信道。提供同步基准的设备称为主设备。所有其它设备称为从设备。以此方式同步的一组设备形成了一个微微网(piconet)。这就是蓝牙无线技术通信的基本形式。微微网中的设备使用特定跳频图，该图由蓝牙规格地址中的特定字段和主设备时钟依据特定算法来确定。基本跳频图是对ISM 波段中的79 个频率进行伪随机排序。跳频图可以调整以排除干扰设备使用的一部分频率。自适应跳频技术改善了蓝牙技术与静态（非跳频）ISM 系统的共存状态（当两者共存时）。物理信道被复分为称作时隙的时间单位。数据以时隙中数据包的形式在启用蓝牙的设备之间传送。如果条件允许，可以将多个连续时隙分配给一个数据包。跳频发生在传输或接收数据包时。蓝牙技术通过使用时分双工(TDD) 方案提供全双工传输效果。物理信道上方有一个链路、信道及相关控制协议层。物理信道以上的信道及链路层级为物理信道、物理链路、逻辑传输、逻辑链路及L2CAP 信道。在物理信道内，任意两个传输设备之间可以形成物理链路，并且可双向传输数据包。在微微网物理信道中，对哪些设备可以形成物理链路有一些限制。每个从设备和主设备间有一个物理链路。微微网中的从设备之间不会直接形成物理链路。物理链路可作为一个或多个逻辑链路的传输层，支持单播同步、异步和等时通信量及广播通信量。逻辑链路上的通信量可通过占有资源管理器中的调度功能分配的时隙分化到物理链路上。除用户数据外，逻辑链路还负载了基带和物理层的控制协议。即链路管理协议(LMP)。微微网中的活动设备具有默认的面向异步连接的逻辑传输，用于传输LMP 协议信令。由于历史原因，这被称作为ACL 逻辑传输。每次有设备加入微微网时都会创建默认的ACL 逻辑传输。可在需要时创建附加逻辑传输以传输同步数据流。链路管理功能采用LMP 控制微微网中的设备的操作，并提供服务来管理架构中的较低层（无线电层和基带层）。LMP 协议只可以负载在默认的ACL 逻辑传输及默认的广播逻辑传输上。在基带层以上，L2CAP 层为应用和服务提供了基于信道的提取。它可以执行应用数据的分割和重组，并通过一个共享逻辑链路执行多个信道的复用或解复用。L2CAP 有一个协议控制信道，负载于默认的ACL 逻辑传输中。提交至L2CAP 协议的应用数据可以负