短距离无线通信系统及仿真课件 第十七讲 蓝牙技术

蓝牙系统组成

蓝牙系统一般由无线射频（天线）单元、基带（链路）控制单元、链路管理单元和蓝牙软件（协议栈）单元四个功能单元组成。无线射频单元蓝牙射频规范规定了蓝牙射频频段、调制方式、调频频率、发射功率、接收机灵敏度等参数。蓝牙的无线射频单元负责数据的发射和接收，特点是短距离、低功耗、体积小、重量轻。蓝牙系统采用全向天线，支持点到多点的通信，使得多台蓝牙设备可以分享网络资源；支持终端的移动性，更容易查询和发现设备。信号传输不受视距的影响，易于组网。蓝牙设备有3个功率级别：1级功率的蓝牙设备发射功率为100mW（20dB）；2级功率的蓝牙设备发射功率为2.5mW（约4dB）；3级功率的蓝牙设备发射功率为1mW（0dB）。我国的蓝牙射频频段最低频率为2.402GHz，最高频率为2.48GHz。蓝牙每个频道带宽为1MHz,相邻频道中心频率间隔为1MHz。为减小带外的辐射和干扰，保留的上、下保护频带分别为3.5MHz和2MHz。

基带（链路）控制单元：蓝牙设备发送数据时，基带部分将来自高层协议的数据进行信道编码，向下传给射频进行发送；接收数据时，射频将经过解调恢复空中数据并上传给基带，基带再对数据进行信道解码，向高层传输。（1）基带分组编码格式基带分组编码遵循小端格式，如图所示。b0是最低有效位LSB(LeastSignificantBit)，MSB(MostSignificantBit)是最高有效位，LSB写在最左边，MSB写在最右边。射频电路最先发送LSB，最后发送MSB。基带控制器认为来自高层协议的第一bit是b0，射频发送的第一bit也是b0。各数据段都是以LSB最先发送的。例如，二进制序列b2b1b0=011中的“1”(b0)首先发送，最后才是“0”(b2)。（2）蓝牙设备编址每个蓝牙设备都分配了一个48位的地址，即蓝牙地址。使用中把蓝牙地址分成了三段：

低24位地址段（LAP）高8位地址段（UAP）未定义16位地址段（NAP）其中，UAP和NAP为生产厂商的惟一标识码，由蓝牙权威部门分配给不同的厂商；而LAP由生产厂商自由分配。（3）网络建立蓝牙链路控制器的各种状态及其关系如图所示。链路控制器有两个主要状态：两个主要的状态：(1)待机(standby)：默认状态。这是一个低功率状态，只有一个本地时钟在工作。(2)连接(connection)：设备作为主站或从站连到微微网。连接状态是指连接已经建立，数据分组可以双向传输的状态。在这种状态下，通信的主从双方都使用主设备接入码和时钟，跳频方案采用信道跳频序列。

另外还有7个临时子状态

(1)寻呼(page)：(2)寻呼扫描(pagescan)(3)主站响应(masterresponse)(4)从站响应(slaveresponse)(5)查询(inquiry)(6)查询扫描(inquiryscan)(7)查询响应(inquiryresponse)子状态是中间的临时过渡状态。为了从一个状态转移到另一个状态，可以执行蓝牙链路控制器指令，也可以使用链路控制器内部的信号。状态转换图

在该状态下，未连接的设备每隔1.28秒监听一次消息，设备一旦被唤醒，就在预先设定的跳频频率上监听信息。

如果一个设备的媒体访问控制地址（MAC）已知，就采用寻呼信息(Pagemessage)建立连接如果地址未知，就采用紧随寻呼信息的查询信息(Inquirymessage)建立连接

(4)蓝牙基带纠错机制蓝牙使用三种纠错模式：(1)l/3比例的FEC(forwarderrorcorrection，前向纠错)。(2)2/3比例的FEC。(3)ARQ(automaticrepeatrequest，自动重发请求)。1．1/3比例FEC1/3比例FEC的编码方法为每位重复3次进行编码，编码序列长度是原始序列长度的3倍，如图3-16所示。基带分组头和HV1语音分组都使用这种纠错方法来提高数据传输的可靠性。蓝牙基带分组类型见P92表3－3图3-161/3比例FEC编码2．2/3比例FEC所谓2/3比例FEC，就是原始序列经过一种多项式编码运算，得到的结果序列长度是原始序列长度的1.5倍。接收方进行相应的逆运算，经过算法提供的检错与纠错机制恢复原始序列。2/3比例FEC用于DM分组、DV分组中的数据段以及FHS分组和HV2分组。

3．自动请求重传(ARQ)

DM、DH、DV分组中的有效载荷使用CRC校验时，基带使用ARQ保证数据的可靠性。发送方在收到接收方的确认信息之前，要不停地重传某一分组，确认信息包含在返回分组的分组头内部，所以称为捎带技术(Piggy-back)。分组头和语音段不受ARQ的保护。（5）蓝牙时钟每个蓝牙设备都有一个独立运行的内部系统时钟，称为本地时钟(LocalClock)，用于决定收发器定时和跳频同步。本地时钟无法进行调整，也不会关闭。为了与其他的设备同步，就要在本地时钟上加一个偏移量(Offset)，以提供给其他设备实现同步。微微网中的定时和跳频选择由主设备的时钟决定。建立微微网时，主设备的时钟传送给从设备，每个从设备给自己的本地时钟加一个偏移量，实现与主设备的同步。图3-6CLKE的计算过程链路管理单元蓝牙链路管理单元主要负责完成设备功率管理、链路质量管理、链路控制管理、数据分组管理和链路安全管理五个方面的任务。蓝牙设备的链路管理器接收到高层的控制信息后，不是向自身的基带部分发送控制信息，就是与另一设备的链路管理器进行协商。物理链路面向同步连接(synchronousconnectionoriented，SCO)：SCO链路是一条微微网中由主设备维护的点对点、对称的同步数据交换链路，主要用于对时间要求很高的数据通信，如语音等。SCO链路在主设备预留的SCO时隙内传输，因而其传输方式可以看做是电路交换(Circuit-Switched)方式。SCO分组不进行重传操作，一般用于像语音这样的实时性很强的数据传输。一个微微网中的主设备最多可以同时支持三条SCO链路(这3条SCO链路可以与同一从设备建立，也可以与不同从设备建立)；一个从设备与同一主设备最多可以同时建立三条SCO链路，或者与不同主设备建立两条SCO链路。为了充分保证语音通信的质量，每一条SCO链路的传码率都是64 kb/s。异步无连接(asynchronousconnectionless，ACL)：ACL链路是微微网主设备和所有从设备之间的同步或异步数据分组交换链路，主要用于对时间要求不敏感的数据通信，如文件数据或控制信令等。ACL链路在主从设备间以分组交换(Packet-Switched)方式传输数据，即可以支持异步应用，也可以支持同步应用。一对主从设备只能建立一条ACL键路。ACL通信的可靠性可以由分组重传来保证。由于是分组