蓝牙技术及其系统原理<1>

发布: 2010-10-20 00:50 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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蓝牙技术及其系统原理<1>（刘海文、石振华）
    “蓝牙”（ Bluetooth）技术是由世界著名的5家大公司——爱立信（Ericsson）、诺
基亚（Nokia、东芝（TOShiba）、国际商用机器公司（IBM）和英特尔（Intel），于1998年
5月联合宣布的一种无线通信新技术。它是针对目前相距很近的便携式器件之间的链接主要
是用红外线链路（infraredlink，简称IrDA）进行而提出的。应用红外线收发器链接虽然能
免去电线或电缆的连接，但是使用起来有许多不便，不仅距离只限于1～2m，而且必须在视
线上直接对准，中间不能有任何阻挡，同时只限于在两个设备之间进行链接，不能同时链接
更多的设备。另一方面，人们对无线电通信技术很熟悉，无线电技术能实现远距离的通信，
可以实现卫星通信以至宇宙太空的通信。但人们也许没有注意到，在同一间屋内或在相距鹏
尺的地方，无线电也能发挥巨大的作用。“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。
1蓝牙技术
    “蓝牙”（Bluetooth）原为欧洲中世纪的丹麦皇帝HnddⅡ的名字，他为统一四分五裂
的瑞典、芬兰、丹麦有着不朽的功劳。瑞典的Ericsson公司为这种即将成为全球通用的无线
技术命此名，也许大有一统天下的含义。
    蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接
为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电技术。其实质内容是要
建立通用的无线电空中接口（radio air interface）及其控制软件的公开标准，使通信和
计算机进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能
在近距离范围内具有互用、相互操作的性能（interoperability）。其程序写在一个9mm×
9mm的微芯片中。
    “蓝牙”技术的作用是简化小型网络设备（如移动PC、掌上电脑、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、头套式送／受话器、
PDAs、计算机、打印机、幻灯机、局域网等之间加装电线、电缆和连接器。而且，这种技术
可以延伸到那些完全不同的新设备和新应用中去。例如，如果把蓝牙技术引人到移动电话和
膝上型电脑中，就可以去掉移动电话与膝上型电脑之间的令人讨厌的连接电缆而通过无线使
其建立通信。打印机、PDA、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有其它的数字设
备都可以成为蓝牙
系统的一部分。除此之外，蓝牙无线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”技术的无线电收发器的链接距离可达30英尺，不限制在直线范围内，甚至设备
不在同一间房内也能相互链接；并且可以链接多个设备，最多可达7个，这就可以把用户身边
的设备都链接起来，形成一个“个人领域的网络”（Personal areanetwork）。
2蓝牙系统
    在了解蓝牙系统结构之前，先熟悉蓝牙系统几个常用的专有名词。
    *Piconet：通过蓝牙技术连接在一起的所有设备被认为是一个piconet。一个piconet可
以只是两台相连的设备，比如一台便携式电脑和一部移动电话，也可以是8台连在一起的设备。
在一个piconet中，所有设备都是级别相同的单元，具有相同的权限。但是在piconet网络初
建时，其中一个单元被定义为master，其它单元被定义为slave。
    *Master unit：主单元，即在一个piconet中，其时钟和跳频顺序被用来同步其它单元的
设备。
    *Slave units：从单元，即piconet中不是master的所有设备。
    * Scatternet：几个独立且不同步的piconet组成一个scatternet。
    * Mac address：用来区分piconet中各单元的长度为3比特的地址。
    Parked units：暂停单元，即piconet中与网络保持同步但没有Mac address的设备。
    *Sniff and hold mode：呼吸与保持模式，与网络同步但进入睡眠状态以节省能源的一
种工作模式。
    蓝牙系统一般由以下4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
    *蓝牙软件（协议）单元
2.1天线单元
    蓝牙要求其天线部分体积十分小巧、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0 dBm的基础上的。空中接口遵循Federal communication Commission
（简称FCC，即美国联邦通信委员会）有关电平为 0 dBm的ISM频段的标准。如果全球电平达
到 100 mw以上，可以使用扩展频谱功能来增加一些补充业务。频谱扩展功能是通过起始频
率为2.402GHz，终止频率为2.480GHz，间隔为1MHz的79个跳频频点来实现的。出于某些本地
规定的考虑，日本、法国和西班牙都缩减了带宽。最大的跳频速率为1660跳／s。理想的连
接范围为100mm～10m，但是通过增大发送电平可以将距离延长至100m。
    蓝牙工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。蓝牙的数据速率为
1Mb／s。 ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段都会遇到不
可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等，都可能是干扰。
为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保键路稳定。跳频技术是把频带分成若干个
跳频信道（hop channel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列（即一定的规律，
技术上叫做“伪随机码”，就是“假”的随机码）不断地从一个信道“跳”到另一个信道，
只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其它的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳额
的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能
造成的影响变得很小。时分双工（Time Division Duplex，简称TDD）方案被用来实现全双
工传输。
    与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统
都更稳定。FEC（ForwardErrorCorrection，前向纠错）的使用抑制了长距离链路的随机噪
音；应用了二进制调频（FM）技术的跳频收发器被用来抑制干扰和防止衰落。
2.2链路控制（固件）单元
    在目前蓝牙产品中，人们使用了3个IC分别作为联接控制器、基带处理器以及射频传输／
接收器，此外还使用了30～50个单独调谐元件。
    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。
    基带控制器有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；
    *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，其中包含了有用的键路信息。
    在无编号的ARQ方案中，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到收到的确认。
只有数据在收端通过了报头错误检测和循环冗余检测后认为无错才向发端发回确认消息，否
则返回一个错误消息。比如蓝牙的话音信道采用Continuous VariableSlope Dalta 
Modulation（简称CVSD，即连续可变斜率增量调制技术）话音编码方案，获得高质量传输的
音频编码。CVSD编码擅长处理丢失和被损坏的语音采样，即使比特错误率达到4％，CVSD编
码的语音还是可听的。
    而Cambridge Consultants公司Cambridge Silicon Radio。就提出了他们的看法。这个
公司的人门产品是一个单芯片传输器和联接控制器。公司称之为BlueCore和BlueStack。这
是一个完整的蓝牙，不需要外部的SAW滤波器、陶瓷电容或感应器，产品集成度非常高，使
用了0.18或0.15pm技术，能够在几乎不增加成本的情况下把基带电路加到芯片中。