蓝牙技术与应用.docx

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蓝牙技术与应用

蓝牙技术与应用

班级：

电子信息工程系2班

姓名：

钱博宇

学号：

12521101

内容提要

本文介绍了蓝牙技术的概况，从浅层分析了蓝牙技术的优势和原理。

介绍了蓝牙的组成和技术特点。

应用方面主要介绍了蓝牙耳机的电路图，以及其应用前景。

关键词：

蓝牙、蓝牙技术

目录：

引言…………………………………………………………………………4

蓝牙技术……………………………………………………………………5

蓝牙技术简介…………………………………………………………5

蓝牙技术特点………………………………………………………………5

蓝牙技术优势………………………………………………………………6

蓝牙技术原理………………………………………………………………7

蓝牙协议体系结构……………………………………………………7

硬件设计方案…………………………………………………………10

蓝牙技术的工作原理…………………………………………………12

蓝牙技术的应用……………………………………………………………19

引言

蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。

能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。

它于1998年5月由蓝牙特别兴趣集团（SpecialInterestGroup）提出，并包含世界著名的五大公司——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）。

该技术意在简化移动设备与移动设备、固定设备间的通信，使信息传输变得更加高效快捷。

在无限通讯技术发展迅速的今天，蓝牙技术必将是一个快速发展点和发展热点。

蓝牙技术与应用

一、蓝牙技术

1、蓝牙技术简介

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。

其程序写在一个9x9mm的微芯片中。

　　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。

时分双工传输方案被用来实现全双工传输。

使用IEEE802.15协议。

　　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。

　　蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合。

在被保留的时隙中可以传输同步数据包，每个数据包以不同的频率发送。

一个数据包名义上占用一个时隙，但实际上可以被扩展到占用5个时隙。

蓝牙可以支持异步数据信道、多达3个的同时进行的同步话音信道，还可以用一个信道同时传送异步数据和同步话音。

每个话音信道支持64kb/s同步话音链路。

异步信道可以支持一端最大速率为721kb/s而另一端速率为57.6kb/s的不对称连接，也可以支持43.2kb/s的对称连接。

2、蓝牙技术的特点

2.1射频特性

蓝牙设备的工作频段选在全世界范围内都可以自由使用的2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频段，这样用户不必经过申请便可以在2400～2500MHz范围内选用适当的蓝牙无线电收发器频段。

频道采用23个或79个，频道间隔均为1MHz，采用时分双工方式。

调制方式为BT=0.5的GFSK，调制指数为0.28～0.35。

蓝牙的无线发射机采用FM调制方式，从而能降低设备的复杂性。

最大发射功率分为三个等级，100mW（20dBm），2.5mW（4dBm），1mW（0dBm），在4～20dBm范围内要求采用功率控制，因此，蓝牙设备之间的有效通讯距离大约为10～100m。

2.2TDMA结构

蓝牙的数据传输率为1Mb/s，采用数据包的形式按时隙传送每时隙0.625μs。

蓝牙系统支持实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联接，蓝牙技术支持一个异步数据通道，3个并发的同步语音通道或一个同时传送异步数据和同步语音通道。

每一个语音通道支持64KB/S的同步语音，异步通道支持最大速率为721KB/S，反向应答速度为57.6KB/s的非对称连接，或者是速率为432.6KB/S的对称连接。

2.3使用跳频技术

跳频是蓝牙使用的关键技术之一。

对应单时隙包，蓝牙的跳频速率为1600跳/秒；对于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时则提高为3200跳/秒。

使用这样高的调频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力，且硬件设备简单、性能优越。

2.4蓝牙设备的组网

蓝牙根据网络的概念提供点对点和点对多点的无线连接，在任意一个有效通讯范围内，所有的设备都是平等的，并且遵循相同的工作方式。

基于TDMA原理和蓝牙设备的平等性，任一蓝牙设备在主从网络（Piconet）和分散网络（Scatternet）中，既可作主设备（Master），又可作从设备（Slaver），还可同时既是主设备（Master），又是从设备（Slaver）。

因此在蓝牙系统中没有从站的概念，另外所有的设备都是可移动的，组网十分方便。

2.5软件的层次结构

和许多通讯系统一样，蓝牙的通讯协议采用层次式结构，其程序写在一个9mm×9mm的微芯片中。

其底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同，大体分为计算机背景和非计算机背景两种方式，前者通过主机控制接口HCI（HostControlInterface）实现高、低层的连接。

后者则不需要HCI。

层次结构使其设备具有最大的通用性和灵活性。

根据通讯协议，各种蓝牙设备无论在任何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其它蓝牙设备，从而构成主从网和分散网，实现系统提供的各种功能，使用起来十分方便。

3、蓝牙技术的优势

蓝牙无线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。

它广泛应用于世界各地，可以无线连接手机、便携式计算机、汽车、立体声耳机、MP3播放器等多种设备。

由于有了“配置文件”这一独特概念，蓝牙产品不再需要安装驱动程序软件。

此技术现已推出第四版规格，并在保持其固有优势的基础上继续发展—小型化无线电、低功率、低成本、内置安全性、稳固、易于使用并具有即时联网功能。

蓝牙无线技术是现在市场上唯一得到认可的主导短距离无线技术。

3.1无线性

蓝牙技术最初是以取消连接各种电器之间的连线为目标的。

蓝牙技术主要面向网络中的各种数据及语音设备,如PC、拨号网络、笔记本电脑、HPC、PDA、打印机、传真机、数码相机、移动电话、高品质耳机等。

蓝牙通过无线的方式将它们连成一个围绕个人的网络,省去了用户接线的烦恼,在各种便携设备之间实现无缝的资源共享。

3.1开放性

与生俱来的开放性赋予了蓝牙强大的生命力。

从它诞生之日起,蓝牙就是一个由厂商们自己发起的技术协议,完全公开,而并非某一家独有和保密。

只要是SIG的成员,都有权无偿使用蓝牙的新技术,而且蓝牙技术标准制订后,任何厂商都可以无偿地拿来生产产品,只要产品通过SIG组织的测试并符合蓝牙标准后,品牌即可投入市场。

3.3全球可用

许多行业的制造商都积极地在其产品中实施此技术，以减少使用零乱的电线，实现无缝连接、流传输立体声，传输数据或进行语音通信。

蓝牙技术在2.4GHz波段运行，该波段是一种无需申请许可证的工业、科技、医学（ISM）无线电波段。

正因如此，使用蓝牙技术不需要支付任何费用。

3.4应用广泛

蓝牙技术得到了空前广泛的应用，集成该技术的产品从手机、汽车到医疗设备，使用该技术的用户从消费者、工业市场到企业等等，不一而足。

低功耗，小体积以及低成本的芯片解决方案使得蓝牙技术甚至可以应用于极微小的设备中。

3.5便于使用

蓝牙技术是一项即时技术，它不要求固定的基础设施，且易于安装和设置。

不需要电缆即可实现连接。

新用户使用亦不费力–只需拥有蓝牙品牌产品，检查可用的配置文件，将其连接至使用同一配置文件的另一蓝牙设备即可。

后续的PIN码流程就如同在ATM机器上操作一样简单。

3.6安全连接

从一开始，蓝牙技术的设计中就融入了安全理念。

由于它在开放的2.4GHzISM波段上全球通用，因此一开始就构建入了稳固的特性。

通过适应跳频（AFH），信号不断“跳跃”，从而限制了来自其它信号的干扰。

另外，蓝牙技术还内置有安全全特性，如128位加密和PIN码验证。

蓝牙产品使用它们第一次连接时的PIN码识别彼此。

连接后，便始终保持安全连接状态。

4、蓝牙技术的原理

4.1蓝牙协议体系结构

蓝牙技术的一个主要目的就是使符合该规范的各种设备能够互通,这就要求本地设备和远端设备使用相同的协议。

当然,不同的应用,其使用的协议栈可能不同。

但是,它们都必须使用蓝牙技术规范中的物理层和数据链路层。

完整的蓝牙协议体系结构如图1所示。

当然,不是任何应用都必须使用所有全部协议,可以只采用部分协议,例如语音通信时,就只需经过基带协议（Baseband）就行,而不用通过L2CAP

。

图1　蓝牙协议体系结构

　核心协议　　　Baseband,LMP,L2CAP,SDP

　　电缆替代协议　RFCOMM

　　电话控制协议　TCSBinary,AT-commands

　　选用协议　　　PPP,UDP/TCP/IP,OBEX,WAP,

vCard,vCal,IrMC,WAE

　　除了上述协议层外,规范还定义了主机控制器接口（HCI）,它为基带控制器、连接控制器、硬件状态和控制寄存器等提供命令接口。

这些协议又可以分为蓝牙专有协议和非专有协议,这样区分主要是在蓝牙专有协议的基础上尽可能地采用和借鉴现有的各种高层协议（也就是非专有协议）,使得现有的各种应用能移植到蓝牙上来,如UDP/TCP/IP等。

蓝牙核心协议都是蓝牙专有的协议,绝大部分蓝牙设备都需要这些协议。

而RFCOMM和TCS-binary协议是SIG分别在ETSITS07.10和ITU2RecommendationQ.931协议的基础上制订的。

选用协议则主要是各种已经广泛使用的高层协议。

总之,电缆替代协议、电话控制协议和选用协议在核心协议的基础上构成了面向应用的协议。

4.1.1蓝牙核心协议

4.1.1.1基带协议（Baseband）

在说基带协议时,我们先来看看蓝牙的网络拓扑结构如图2所示。

它首先由一个个微微网（pi2conet）构成。

一个微微网中,只有一个蓝牙设备是主设备（master）,但是可以有7个从设备（slave）,它们是由3位的MAC地址区分的。

主设备的时钟和跳频序列用于同步同一个微微网中的从设备。

多个独立的非同步的微微网又可以形成分布式网络（scatternet）,一个微微网中的主/从设备可以是另外一个微微网中的主/从设备,但是各个微微网通过使用不同的跳频序列来加以区分。

图2　网络拓扑结构

基带协议就是确保各个蓝牙设备之间的物理射频连接,以形成微微网。

蓝牙的射频系统是一个跳频系统,其任一分组在指定时隙、指定频率上发送,它使用查询（inquiry）和寻呼（page）进程同步不同设备间的发送频率和时钟,可为基带数据分组提供两种物理连接方式:

同步面向连接（SCO）和异步非连接（ACL）。

SCO既能传输语音分组（采用CVSD编码）,也能传输数据分组;而ACL只能传输数据分组。

所有的语音和数据分组都附有不同级别的前向纠错（FEC）或循环冗余校验（CRC）编码,并可进行加密,以保证传输可靠。

此外,对于不同的数据类型都会分配一个特殊的信道,可以传递连接管理信息和控制信息等。

4.1.1.2连接管理协议（LMP）

连接管理协议负责蓝牙各设备间连接的建立。

首先,它通过连接的发起、交换、核实,以进行身份认证和加密等安全措施;其次它通过设备间协商以确定基带数据分组的大小;另外,它还可以控制无线部分的电源模式和工作周期,以及微微网内各设备的连接状态。

4.1.1.3逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）

逻辑链路控制和适配协议是基带的上层协议,可以认为它是与LMP并行工作的,它们的区别在于当数据不经过LMP时,则L2CAP将采用多路技术、分割和重组技术、群提取技术等为上层提供数据服务。

虽然基带协议提供了SCO和ACL两种连接类型,但是L2CAP只支持ACL,并允许高层协议以64K字节的速度收发数据分组。

4.1.1.1.4服务发现协议（SDP）

服务发现协议是蓝牙技术框架中非常重要的一个部分,它是所有用户模式的基础。

使用SDP,可以查询到设备信息和服务类型,之后,蓝牙设备之间的连接才能建立。

因此,你不能奢望通过蓝牙耳机打电话,因为它不能提供这种服务。

4.1.2电缆替代协议（RFCOMM）

FCOMM是基于ETSI07.10规范的串行线仿真协议,它在蓝牙基带协议上仿真RS2232控制和数据信号,为使用串行线传送机制的上层协议（如OBEX）提供服务。

4.1.3电话控制协议

4.1.3.1　二元电话控制协议（TCSBinary）二元电话控制协议是面向比特的协议,它定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制信令,定义了处理蓝牙TCS设备群的移动管理进程。

4.1.3.2　AT命令集电话控制协议（AT-commands）在ITU2TV.250和ETS300916（GSM07.07）的基础之上,SIG定义了控制多用户模式下,移动电话、调制解调器和可用于传真业务的AT命令集。

4.2硬件设计方案

从目前蓝牙产品来看,其硬件上都采用了两块芯片构成一个芯片组,一块是射频芯片,另外一块是基带控制芯片,如朗讯公司的W7020和W7400、飞利浦的UAA3558和PCD87750等,这两块芯片再加上外加的Flash、天线和电源芯片就可以构成了一个蓝牙模块（蓝牙Module）,可以用于各种蓝牙产品之中。

下面就以朗讯公司的W7020和W7400为例。

W7020是采用BiCOMS工艺制造的高集成度射频芯片,它仅仅只需外接特征阻抗为50Ω的天线,和一个13MHz的晶振,就能正常工作。

从图3中可以看出,它通过串行接口总线（serialinterfacebus）和选通信号（strobesignals）和W7400接口。

这样它们就构成一个完整的蓝牙模块。

W7400最大的特点是包含了一个ARM7TDMI的RISC核,能满足蓝牙1.0的各个协议栈,并且提供了USB和UART/PCM两个主机控制器接口（HCI:

hostcon2trollerinterface）,极大方便了硬件设计。

另外,在当今对芯片功耗要求日益苛刻的情况下,W7020和W7400均采用2.7V工作电压,以保证降低功耗,延长电池寿命,特别适合各种便携设备。

两种接入产品的方式：

（1）采用UART/PCM方式

这种方式利用UART作为数据（data）通信接口,而PCM作为语音（voice）通信接口,如图4所示。

当用UART进行数据通信时,蓝牙模块是作为一个数字电路终端设备（DCE:

datacircuit2terminalequipment.）,其串行传输速度可以达到460.8kbit/s。

当用PCM进行语音通信时,其采用的编码格式很灵活,可以采用CVSD,A律（欧洲）和μ律（美国）等三种格式,方便了蓝牙语音产品的开发。

（2）采用USB方式

这种方式,见图5所示,是把这个蓝牙模块当作一个USB从设备来和主机通信,它满足USB1.1规范,最高速度可以达到12Mbit/s。

可见,采用主机控制器接口HCI,我们可以非常方便地把这个蓝牙模块嵌入到笔记本电脑（note2book）、手持计算机（handheldPC）、移动电话、数字相机等多种设备（作为host）中,构成各种蓝牙产品。

当然,要充分利用蓝牙这一新技术,使硬件正常工作,还需要各种蓝牙协议软件的支持。

图3　蓝牙module蓝牙模块

图4　UART/PCM方式

图5　USB方式

4.3蓝牙技术的工作原理

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。

4.3.1操作概览

蓝牙射频（物理层）在无需申请许可证的2.4GHzISM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2Mb/s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。

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载于支持L2CAP协议的任意逻辑链路上。

4.3.2架构-核心系统

蓝牙核心系统覆盖4个最低层及其关联协议以及一个通用服务层协议—服务发现协议（SDP），所有的配置文件要求则由通用访问配置文件（GAP）指定。

完整的蓝牙应用要求多项附加服务和较高层协议，这些在蓝牙规格中定义，最低的3层有时被归为一个子系统，称为蓝牙控制器，这是一种常见的实施方式。

在蓝牙控制器和蓝牙系统其余部分（包括L2CAP、服务层以及被称为蓝牙主机的较高层）之间有标准的物理通信接口。

虽然此接口是可选的，但架构的设计使它自有存在的意义和特性。

蓝牙规格通过定义对等层之间交换的协议消息，实现在启用蓝牙的独立系统之间的互操作性，并通过定义蓝牙控制器和蓝牙主机之间的常用接口，实现在独立蓝牙子系统之间的互操作性。

规格对所有设备间操作定义了标准交互方式，蓝牙设备根据蓝牙规格交换协议信令。

蓝牙核心系统协议包括射频（RF）协议、链路控制（LC）协议、链路管理器（LM）协议和逻辑链路控制和适配协议（L2CAP），这些在前文中已详细介绍过了，蓝牙规格后续部分对所有这些协议进行了完整的定义。

另外，服务发现协议（SDP）是所有蓝牙应用必备的服务层协议。

蓝牙核心系统通过多个服务接入点提供服务。

这些服务由控制蓝牙核心系统的基础服务原语组成。

服务可分为3种类型。

即：

用于修改蓝牙设备行为和模式的设备控制服务，用于创建、修改和释放通信载体（信道和链路）的传输控制服务，以及通过通信载体提交传输数据的数据服务。

通常前两项服务被视为控制平面（C-plane）类，最后一项则属于用户平面（U-plane）类。

至蓝牙控制器子系统的服务接口的定义将蓝牙控制器视为标准组成部分。

在这种配置中，蓝牙控制器操作最低的三层，而L2CAP层与其它蓝牙应用则包含在主机系统中。

这一标准接口被称为主机到控制器接口（HCI）。

可选择是否实施此标准服务接口。

由于蓝牙架构是在独立的主机和控制器可通过HCI进行通信这一前提下定义的，定义过程采用了若干假设。

不妨假设：

与主机相比，蓝牙控制器只具有有限的数据缓冲能力。

因此，L2CAP层在将L2CAPPDU提交到控制器以便再传输到对等设备时应执行一些简单的资源管理。

这包括将L2CAPSDU分段成更便于管理的PDU，然后再将PDU分段成大小适合控制器缓冲区的起始和延续数据包；以及管理控制器缓冲区的使用，以便确保具有服务质量（QoS）承诺的信道的可用性。

基带层提供蓝牙技术的基础ARQ协议。

L2CAP层可选择性地提供深入错误检测和指向L2CAPPDU的重新传输。

对于要求尽量避免用户数据中存在未检测到的错误的应用，建议使用此功能。

L2CAP的另一可选功能是基于视窗的流控制功能，该功能可用于管理接收设备中的缓冲区分配。

这两项可选功能都将提高QoS在特定应用中的性能。

尽管对于在一个系统中组合各层的嵌入式蓝牙技术实施来说，这些假设并不是必备条件，但一般架构和QoS模型都是基于这些假设定义的，并以之作为实际的最低通用标准。

对蓝牙核心系统实施进行自动化符合性测试是必须的。

要做到这一点，可允许测试人员通过蓝牙系统通用的射频接口和进行符合性测试才需要的测试控制接口（TCI）来控制实施。

测试人员使用通过射频接口与被测实施（IUT）进行的交换来确保对远程设备发出的请求作出正确回应。

测试人员通过TCI控制IUT，以便让IUT通过射频接口发起交换，这样就能验证这些交换的符合性。

对于每一架构层和协议测试，TCI所使用的命令集（服务接口）是不同的。

HCI命令集的子集将作为蓝牙控制器子系统的每一层和每一个协议的TCI服务接口。

L2CAP层和协议使用独立的服务接口测试。

由于蓝牙核心规格中没有定义L2CAP服务接口，该接口在TCI规格中单独定义。

只有在进行符合性测试时才要求实施L2CAP服务接口。

4.3.3核心架构块

4.3.3.1信道管理器

信道管理器负责创建、管理和破坏用于服务协议和应用数据流传输的L2CAP信道。

信道管理器通过L2CAP协议与远程（对等）设备上的信道管理器交互，以创建这些L2CAP信道并将它们的端点连接到对应的实体。

信道管理器与本地链路管理器交互来创建新的逻辑链路（如有此需要）和配置这些链路，以提供被传输数据类型要求的QoS。

4.3.3.2L2CAP资源管理器

L2CAP资源管理器块负责管理发送至基带的P