短距离无线通信系统及仿真课件 第十六讲 蓝牙技术

蓝牙技术的特点蓝牙是一种近距离无线通信技术规范，用来描述和规定各种电子产品相互之间是如何用短距离无线电系统进行连接的。蓝牙实现无线连接无需基站，它的核心是一块大小约9mm×9mm的芯片，这个芯片能实现语音和数据在短距离上的稳定无缝无线连接。这种连接是开放式的，再加上芯片体积十分小，因此能够方便的嵌入设备中，应用于各种需要在网络上传输数据和语音的设备。

如图所示。图的左端为天线和滤波器，右端为单芯片的植入蓝牙的电子元件（采用标准的BGA封装方式）。可以很方便地应用于电子产品中，有很强的移植性，可随时随地应用于多种通信场合。（a）（b）Oneofthefirstmodules(Ericsson)蓝牙技术具有电路交换和分组交换两种数据传输类型，能够同时支持语音业务和数据业务的传输。基于目前PSTN网络的语音业务的实现是通过电路交换；而基于互联网络的数据传输为分组交换数据业务主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网(Piconet)时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。蓝牙工作在2.4G的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4G－2.4835GHz蓝牙技术通信距离为10M，可根据需要扩展至100M，以满足不同设备的需要。蓝牙采用了跳频方式来扩展频谱，抵抗力来自这些设备的干扰。提供了认证和加密的功能，以保证链路级的安全。蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式：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状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。蓝牙技术工作在全球共用的ISM频段，即2.4GHz频段。ISM频段是指用于工业、科学和医学的全球共用频段，可以免费使用而不用申请无线电频率许可。蓝牙的基本出发点是可使其设备能够在全球范围内应用于任意的小范围通信。任一蓝牙设备，都可根据IEEE802标准得到一个唯一的48bit的地址，它是一个公开的地址码，可以通过人工或自动进行查询。由于ISM频段为对所有无线电系统都开放的频段，为了避免与工作在该频段的其他系统(如Wi-Fi、ZigBee)或设备(微波炉)产生相互干扰，蓝牙系统通过性能良好的算法（如快速跳频）保证蓝牙链路的稳定性。蓝牙技术具有电路交换和分组交换两种数据传输类型，能够同时支持语音业务和数据业务的传输。基于目前PSTN网络的语音业务的实现是通过电路交换；而基于互联网络的数据传输为分组交换数据业务主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网(Piconet)时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。蓝牙工作在2.4G的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4G－2.4835GHz蓝牙技术通信距离为10M，可根据需要扩展至100M，以满足不同设备的需要。蓝牙采用了跳频方式来扩展频谱，抵抗力来自这些设备的干扰。提供了认证和加密的功能，以保证链路级的安全。蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式：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状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。无连接的多个蓝牙设备相互靠近时，若有一个设备主动向其他设备发起连接，它们就形成了一个微微网(Piconet)。微微网中标志了终端的四种状态，主“M”、从“S”、备用“SB”、暂停/挂起“P”。主动发起连接的设备称为微微网的主设备(Master)，对主设备的连接请求进行响应的设备称为从设备(Slave)。一个微微网只有一个主设备，一个主设备最多可以同时与7个从设备同时进行通信。（1）主设备与从设备微微网的最简单组成形式就是两个蓝牙设备的点对点连接。微微网是实现蓝牙无线通信的最基本方式，微微网不需要类似于蜂窝网基站和无线局域网接入点之类的基础网络设施（对等网络）。在蓝牙拓扑中，允许“S”型终端存在于多个微微网中。在微微网中，“M”终端可同时处理7个甚至更多个活动的从设备。终端如不能接入网络，则转为“SB”状态，等待一段时间后再进入微微网。无通信可处于暂停/挂起状态即“P”状态，以低功率连接。（2）微微网与散射网微微网结构及实例主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列，从设备单元一般是受控同步的设备单元，接收主设备单元的控制。散射网(ScatterNet)是多个微微网在时空上相互重叠组成的比微微网覆盖范围更大的蓝牙网络，如图3-5所示。虽然每个微微网只有一个主设备，但是从设备可以基于时分复用(TimeMultiplexing)机制加入不同的微微网，而且一个微微网的主设备可以成为另一个微微网的从设备。每个微微网都有自己的跳频序列，它们之间并不跳频同步，这样就避免了同频干扰。蓝牙技术具有电路交换和分组交换两种数据传输类型，能够同时支持语音业务和数据业务的传输。基于目前PSTN网络的语音业务的实现是通过电路交换；而基于互联网络的数据传输为分组交换数据业务主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网(Piconet)时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。蓝牙工作在2.4G的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4G－2.4835GHz蓝牙技术通信距离为10M，可根据需要扩展至100M，以满足不同设备的需要。蓝牙采用了跳频方式来扩展频谱，抵抗来自其它设备的干扰。提供了认证和加密的功能，以保证链路级的安全。蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式：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状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。（1）跳频技术跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（hopchannel），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，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰。跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能的影响变成很小。（2）国际上蓝牙的频率分配蓝牙利用波段中的2.4GHz波段。在大多数国家，此带宽足以定义79个1MHz的物理信道。蓝牙链路建立后发送数据时蓝牙接收和发送装置按照一定的伪随机编码序列快速地进行信道跳转，每秒钟频率改变1600次，每个频率持续625μs。但在建链时(包括寻呼和查询)则提高为3,200跳每秒。使用这样高的跳频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力。此外蓝牙协议提供了认证和加密(128bitkey)功能，以保证链路级的安全。蓝牙系统认证与加密服务由物理层提供，适合于硬件实现，密钥由高层软件管理。（3）蓝牙系统的跳频知识点回顾1、全球范围适用：工作在（）的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4G－2.4835GHz2、同时传输语音和数据：蓝牙技术具有（）和（）两种数据传输类型，能够同时支持语音业务和数据业务的传输。其中PSTN网络的语音业务的实现是通过（）；而基于互联网络的数据传输为（）数据业务3、近距离通信：蓝牙技术通信距离为（），可根据需要扩展至100M，以满足不同设备的需要4、很好的抗干扰能力和安全性：蓝牙采用了（）方式来扩展频谱，抵抗力来自其它设备的干扰。蓝牙链路建立后发送数据时蓝牙接收和发送装置按照一定的伪随机编码序列快速地进行信道跳转，每秒钟频率改变（）次，每个频率持续625μs。蓝牙技术的特点：5、可建立临时对等连接：由采用蓝牙技术的设备以特定方式组成的网路称为（）。微微网的建立是由两台设备的连接开始，主动发起连接的设备称为（）(Master)，其时钟和跳频序列用于同步其他设备；对主设备的连接请求进行响应的设备称为（）(Slave)。一个微微网只有（）个主设备，一个主设备最多可以同时与（）个从设备同时进行通信。微微网中标志了终端的四种状态，（）“M”、（）“S”、（）“SB”、（）“P”。散射网(ScatterNet)是多个微微网在时空上相互重叠组成的比微微网覆盖范围更大的蓝牙网络，虽然每个微微网只有一个主设备，但是从设备可以基于时分复用(TimeMultiplexing)机制加入不同的微微网，而且一个微微网的主设备可以成为另一个微微网的从设备。每个微微网都有自己的跳频序列，它们之间并不跳频同步，这样就避免了同频干扰。蓝牙技术具有电路交换和分组交换两种数据传输类型，能够同时支持语音业务和数据业务的传输。基于目前PSTN网络的语音业务的实现是通过电路交换；而基于互联网络的数据传输为分组交换数据业务主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网(Piconet)时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。蓝牙工作在2.4G的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4G－2.4835GHz蓝牙技术通信距离为10M，可根据需要扩展至100M，以满足不同设备的需要。蓝牙采用了跳频方式来扩展频谱，抵抗力来自这些设备的干扰。提供了认证和加密的功能，以保证链路级的安全。蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式：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状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。蓝牙支持64kb/s的实时语音传输和各种速率的数据传输。语音编码采用脉冲编码调制（PCM）或连续可变斜率增量调制（CVSD）。语音和数据可单独或同时传输。当仅传输语音时，蓝牙设备最多可同时支持3路全双工的话音通信；当语音和数据同时传输或仅传输数据时，支持433.9kb/s的对称全双工通信，或723.2kb/s、57.6kb/s的非对称双工通信，后者特别适合无线访问Internet。蓝牙技术具有电路交换和分组交换两种数据传输类型，能够同时支持语音业务和数据业务的传输。基于目前PSTN网络的语音业务的实现是通过电路交换；而基于互联网络的数据传输为分组交换数据业务主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网(Piconet)时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。蓝牙工作在2.4G的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4G－2.4835GHz蓝牙技术通信距离为10M，可根据需要扩展至100M，以满足不同设备的需要。蓝牙采用了跳频方式来扩展频谱，抵抗力来自这些设备的干扰。提供了认证和加密的功能，以保证链路级的安全。蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式：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状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。不同等级的发射功率和传输距离ClassMaximumpermittedpowerRange

(m)(mW)(dBm)Class110020~100Class22.54~10Class310~1蓝牙设备由于定位于短距离通信，射频功率很低。蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式：激活(Active)模式、呼吸(Sniff)模式、保持(Hold)模式和休眠(Park)模式。激活(Active)模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。呼吸(Sniff)模式下的从设备周期性被激活；保持(Hold)模式下的从设备停止监听来自主设备的数据分组，但保持其激活成员地址；休眠(Park)模式下的主从设备间仍保持同步，但从设备不需要保留其激活成员地址。这三种模式中，呼吸模式的功耗最高，对于主设备的响应最快；休眠模式的功耗最低，但是对于主设备的响应最慢。蓝牙设备的功耗能够根据使用模式自动调节，蓝牙设备的正常工作功率为1mW，发射距离为10m，最大发射距离可达100m，基本可以满足常见的短距离无线通信需要。当传输数据量减少或