藍牙的發(fā)展：無線系統(tǒng)設(shè)計的挑戰(zhàn)

藍牙技術(shù)自二十世紀九十年代末期面世以來，就開始面對眾多的技術(shù)挑戰(zhàn)，包括兼容性、功耗和信號干擾等方面的挑戰(zhàn)。本文全面概述了藍牙技術(shù)，以及如何利用BlueCore來應(yīng)對功耗和信號干擾方面的挑戰(zhàn)。

藍牙是一種短程無線鏈路技術(shù)。作為一種纜線替代技術(shù)，藍牙在消費電子設(shè)備之間傳輸語音和數(shù)據(jù)，如移動電話、PC和PDA設(shè)備等。由于藍牙應(yīng)用于電池驅(qū)動的小型設(shè)備，并且具有短程無線鏈路的特點，因此功耗一直是該技術(shù)關(guān)注的問題。

藍牙技術(shù)

藍牙運行的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)(ISM)頻帶范圍為2.4~2.4835GHz。由于這個頻帶是開放的，因此有許多其它的無線鏈路標準也使用這個頻帶，如802.11 Wi-Fi和DECT無繩電話。因為非常類似，這些設(shè)備之間可能造成相互的干擾，從而影響藍牙鏈路的質(zhì)量。

藍牙鏈路的范圍取決于無線設(shè)備的功率。一級設(shè)備的連接范圍是100米，二級設(shè)備為10米，三級設(shè)備為1米以內(nèi)。

藍牙技術(shù)的標準數(shù)據(jù)傳輸速率高達每秒1Mbit/s，真正吞吐量為每秒723千比特。數(shù)據(jù)被藍牙堆棧劃分為數(shù)據(jù)包，并通過兩個鏈路中的其中一個進行發(fā)送。此鏈路是通過SCO(Synchronous Connection Oriented Channels)利用預(yù)留帶寬進行實時傳輸(包括語音包)的；或通過ACL(Asynchronous Connectionless Channels)進行數(shù)據(jù)傳輸和再傳輸。一個藍牙設(shè)備由硬件、固件和軟件三部分組成。

圖1顯示的是一個典型的分層藍牙規(guī)格協(xié)議棧。除了主機控制接口(HCI)、邏輯鏈路控制及適配協(xié)議(L2CAP)、RFCOMM和服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDP)之外，該藍牙規(guī)格協(xié)議棧還具有無線電、基帶和鏈路管理協(xié)議。

干擾：挑戰(zhàn)設(shè)計

由于藍牙使用的ISM射頻是開放的，因此許多其它的無線標準也利用ISM頻帶，其中比較有影響力的標準包括802.11b/g Wi-Fi。除了因為與其它無線標準共存而產(chǎn)生的挑戰(zhàn)之外，藍牙通訊鏈路還可能受到其它家用設(shè)備的影響，如微波爐。這些家用設(shè)備在運行的同時輻射出射頻能量，由于成本和技術(shù)上的限制，不可避免地這些設(shè)備會散發(fā)出相當程度的幅射。

盡管受到環(huán)境射頻的干擾，藍牙在頻率沖突方面的主要挑戰(zhàn)還是來自于802.11b/g Wi-Fi。這兩種技術(shù)都在ISM頻帶范圍內(nèi)運行，以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送數(shù)據(jù)。在過去五年中，WiFi和藍牙都廣泛受到消費者的歡迎，越來越多的家庭開始使用藍牙產(chǎn)品和無線LAN網(wǎng)絡(luò)。因為這兩種技術(shù)非常類似，所以共存是一個首先需要考慮的問題。實際上，許多機制已經(jīng)被采用，以便解決相互間的干擾問題。

為了降低某個ISM頻帶區(qū)域內(nèi)傳輸?shù)墓β士偭�，藍牙和Wi-Fi不得不采用各種數(shù)據(jù)傳輸擴頻技術(shù)。藍牙采用跳頻技術(shù)(FHSS)，在相對較窄的1MHz帶寬范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)包。這樣，在該帶寬提供的79個信道范圍內(nèi)，窄帶信號的頻率變?yōu)槊棵?,600跳 。通過圍繞頻譜頻繁跳動，使信號功率充滿了整個頻帶。

當發(fā)生一般性干擾時，數(shù)據(jù)包的接收可能被中斷，因為藍牙和802.11 b/g信號發(fā)生疊加，造成記錄錯誤。附近的天線可能對第二個系統(tǒng)的運行造成前端過荷干擾。但是，這種干擾要求具備較強的干擾信號，所以較一般性干擾來說是一種不常見的干擾。

自適應(yīng)跳頻技術(shù)(AFH)

自適應(yīng)跳頻技術(shù)(AFH)是解決一般性干擾的有效途徑。AFH可以識別“壞”信道。在這些信道上，要么有其它無線設(shè)備干擾藍牙信號，要么藍牙信號干擾了其它的設(shè)備。具備AFH技術(shù)的藍牙設(shè)備與藍牙微網(wǎng)(Piconet)內(nèi)的其它設(shè)備進行通訊，分享有關(guān)壞信道的詳細信息。這樣，這些設(shè)備就可以轉(zhuǎn)換到可用的“好”信道，遠離干擾區(qū)，不影響帶寬的使用。使用AFH技術(shù)時，壞信道的分類必須準確，并且“一般性”干擾應(yīng)是唯一的干擾形式。圖2展示了有效使用AFH技術(shù)的情形。

BlueCore的默認設(shè)置通常能在大約四秒鐘的時間內(nèi)適應(yīng)新的來源方面的干擾。

信道跳轉(zhuǎn)使v1.1設(shè)備獲得了AFH技術(shù)的優(yōu)點，但不得不犧牲藍牙帶寬以盡量減少對Wi-Fi信號的影響。即使802.11b/g此時閑置，也有高達50%的非優(yōu)先藍牙通訊被終止。然而，盡管這個數(shù)字看起來很大，用戶卻常常覺察不到帶寬的變化，除非他們試圖實施某些對時間敏感的應(yīng)用，如立體音頻隨選隨播。

時分多路復(fù)用(TDM)

時分多路復(fù)用(TDM)是一種應(yīng)對前端過荷型干擾的手段，AFH技術(shù)無法應(yīng)對這種干擾。TDM最初用于保護802.11b/g傳輸不受藍牙干擾，而不是相反的情形。其工作原理是：當ISM頻帶內(nèi)運行802.11b/g時，所有藍牙傳輸都要關(guān)閉，但那些高優(yōu)先級的藍牙傳輸除外。與信道跳轉(zhuǎn)一樣，這種方法犧牲了部分藍牙帶寬，這部分犧牲的帶寬與802.11b/g工作周期成比例。因此，如果802.11b/g閑置，則鏈路維護通訊可能造成帶寬下降2-3%，用戶不可能察覺到這個細微的變化。

要增強TDM的效果，就需要具備有關(guān)802.11b/g無線設(shè)備活動的準確信息。為此，CSR公司定義了WLAN_Active硬件信號，以保證當無線設(shè)備運行時，b/g信號得到保護。當需要保護藍牙信號不因802.11b/g干擾而衰退時，CSR公司開發(fā)出了BT_Priority，這是一種可選的信號，它可以指出何時正在發(fā)送或接收重要的藍牙數(shù)據(jù)包。這種信號可用于保護采用HV3數(shù)據(jù)包的SCO音頻，這種格式在單聲道耳機隨選隨播音頻數(shù)據(jù)時最為常見。Wi-Fi干擾可能阻止耳機與電話連接，還可能造成音頻質(zhì)量下降，因為部分SCO數(shù)據(jù)包的傳輸被終止，并且不重新傳輸。

根據(jù)信道質(zhì)量確定數(shù)據(jù)速率(CQDDR)

這個方案針對的是極端的范圍和干擾問題，其建立的基礎(chǔ)包括跳頻、數(shù)據(jù)包標題和有效載荷的檢錯碼、以及數(shù)據(jù)包確認收悉或再傳輸。有兩種格式的數(shù)據(jù)包，即DH和DM，分別利用高帶寬和中帶寬。DH數(shù)據(jù)包可以傳輸更多的數(shù)據(jù)，但是如果部分數(shù)據(jù)包遭到破壞，整個數(shù)據(jù)包必須重新傳輸以恢復(fù)數(shù)據(jù)。DM數(shù)據(jù)包包含前向糾錯(FER)碼，占有效載荷的三分之一：每10比特的數(shù)據(jù)就增加5比特的前向糾錯碼，每15比特的數(shù)據(jù)/FEC數(shù)據(jù)塊中可以糾正2比特的錯誤。這種數(shù)據(jù)包格式可能降低最大的數(shù)據(jù)速率，但比不包含糾錯功能的DH數(shù)據(jù)包更強大。它允許接收設(shè)備與傳輸設(shè)備進行協(xié)調(diào)，按照環(huán)境干擾情況來確定采用何種數(shù)據(jù)包格式。例如，如果某個設(shè)備確定正在接收的數(shù)據(jù)存在諸多錯誤，它就會通知傳輸設(shè)備以DM數(shù)據(jù)包的方式傳輸數(shù)據(jù)。如果鏈路恢復(fù)暢通了，它就會允許傳輸設(shè)備回轉(zhuǎn)到DH數(shù)據(jù)包。見圖4。

CQDDR只是藍牙鏈路的一個可選項，并不包括在藍牙技術(shù)規(guī)范內(nèi)。因此，對于配置BlueCore的設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)給沒有配置CQDDR的設(shè)備的情況，CSR公司發(fā)明出了一種算法來評估鏈路的表現(xiàn)，并且按照確認收悉的數(shù)據(jù)包(ACKs)和沒有確認收悉的數(shù)據(jù)包(NACKs)之間的比率來修改數(shù)據(jù)包的類型。但是，對于從一個沒有配置CQDDR的設(shè)備接受信息的情況，如果數(shù)據(jù)包受損，則BlueCore無法提供應(yīng)對措施。

擴展型同步定向連接信道(eSCO)

eSCO是允許受損語音數(shù)據(jù)進行再傳輸?shù)臋z錯語音信道。每一個數(shù)據(jù)包都有一個CRC(循環(huán)冗余校驗)，這樣接收設(shè)備就可以檢查數(shù)據(jù)包是否正確接收。在接收過程中存在錯誤和丟失的數(shù)據(jù)包將得到否認。再傳輸窗口允許未經(jīng)確認的數(shù)據(jù)包進行再傳輸。

1.1版SCO只能使用單槽數(shù)據(jù)包。擴展型SCO允許對同步語音或數(shù)據(jù)使用三槽數(shù)據(jù)包。這意味著擴展型SCO可以達到100kbps以上的連接速度，而1.1版的連接速度為固定的64kbps。這是因為在使用單槽數(shù)據(jù)包時鏈路容量丟失，而當無線設(shè)備改變頻率時數(shù)據(jù)包之間產(chǎn)生間隙。

在每個eSCO傳輸過程中，主設(shè)備傳輸一個eSCO數(shù)據(jù)包，從設(shè)備會按照SCO常規(guī)進行響應(yīng)(即使沒有接收到主設(shè)備的數(shù)據(jù)包，從設(shè)備也可以進行響應(yīng))。eSCO與SCO的不同之處在于SCO存在一個再傳輸窗口。在這個窗口中，可以對未經(jīng)確認的數(shù)據(jù)包進行再傳輸，直至確認收悉。eSCO傳輸?shù)拈g隔是可以調(diào)整的。1.1版SCO有三種數(shù)據(jù)包間隔可供選擇，傳輸速度都是64kb/s。擴展型SCO的數(shù)據(jù)包長度和間隔在鏈路的兩個方向都是可以調(diào)整的，因此可以實現(xiàn)不對稱傳輸。

盡管eSCO信道不主動處理或避免干擾，受損數(shù)據(jù)包的再傳輸仍保證了其音頻質(zhì)量受到其它無線設(shè)備的影響相對較小。

功耗對于藍牙技術(shù)的重要性

功耗是一個關(guān)鍵性的問題，在無線開發(fā)的競爭方面有著特別重要的作用。作為一種短程無線功耗是一個關(guān)鍵性的問題，在無線開發(fā)的競爭方面有著特別重要的作用。作為一種短程無線鏈路技術(shù)，藍牙的功耗可以降到最低水平，特別是在電腦外圍設(shè)備這樣的應(yīng)用中，藍牙設(shè)備的范圍實際上不足50cm。

藍牙較低的功耗水平使其成為移動電話和PDA這樣的小型手持設(shè)備首選的無線連接技術(shù)， 這些設(shè)備依賴于電池電量，消費者也看重其電池壽命。

低功耗模式與內(nèi)部時鐘

在藍牙堆棧的范圍內(nèi)，最大的功耗水平源自于無線單元的活動，在僅以藍牙堆棧數(shù)字單元要求的10mA電流水平傳輸和接收數(shù)據(jù)時，無線單元的活動卻需要50mA的電流。因此，減少藍牙無線單元的活動對于降低整體的功耗水平最為有效。此外，靈活使用低功耗模式也可以進一步降低藍牙設(shè)備的功耗水平。

BlueCore芯片內(nèi)的硬件時鐘可以將數(shù)字單元與無線單元隔離，這樣可以關(guān)閉無線單元，從而將芯片送入淺度或深度睡眠模式。

在淺度睡眠模式下，時鐘頻率從16MHz、10mA降低到0.125MHz、2mA(圖6)。

在深度睡眠模式下，除了1kHz自激弛張振蕩器之外，時鐘的主晶體和所有其它部分都停止工作(圖7)。

要進入深度睡眠模式，BlueCore需要有20ms時間的靜止狀態(tài)。要從深度睡眠模式下蘇醒過來，時鐘晶體需要5ms時間轉(zhuǎn)動起來，而設(shè)備需要大約20ms時間的無活動狀態(tài)。BlueCore可以通過兩種方式退出深度睡眠模式，一是通過定時鬧鐘，在下一次定時活動之前叫醒設(shè)備；二是通過PIO、UART或USB串口傳輸設(shè)備來中斷深度睡眠模式。

功耗控制方法對于降低干擾和電源耗竭的風險也很重要。如果一個藍牙設(shè)備需要與幾厘米之外的另外一個設(shè)備進行通訊，這個設(shè)備就不需要消耗與100m之外的一個設(shè)備鏈接所需要的那么多功率。BlueCore具備了這方面智能，因此，通過利用最少的電流來建立和維持無線鏈接，BlueCore可以減少功率損耗。

芯片結(jié)構(gòu)

BlueCore芯片結(jié)構(gòu)在保證功耗效率和低功耗方面起著關(guān)鍵作用。圖8顯示的是BlueCore3-ROM CSP芯片封裝設(shè)計的一個例子，展示了BlueCore芯片的典型設(shè)計。自最初就設(shè)計成一個單芯片產(chǎn)品的BlueCore，其芯片組件特別少，減少了功率消耗，更為重要的是，BlueCore包含一個數(shù)字信號處理器基帶去取代常規(guī)的 ARM處理器。藍牙的短程連接和協(xié)議堆棧意味著這個復(fù)雜而消耗功率的處理器無法執(zhí)行日常的藍牙任務(wù)。此外，協(xié)議堆棧的結(jié)構(gòu)使所有數(shù)據(jù)不用通過微處理器。芯片內(nèi)存集線器存儲包括信息包在內(nèi)的數(shù)據(jù)，而微處理器確定數(shù)據(jù)包的類型和結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)包通過DSP傳輸。這種方法限制了單個組件的參與，因此降低了數(shù)據(jù)傳輸和處理過程的功率耗損量。

效率和低功耗方面起著關(guān)鍵作用。圖8顯示的是BlueCore3-ROM CSP芯片封裝設(shè)計的一個例子，展示了BlueCore芯片的典型設(shè)計。自最初就設(shè)計成一個單芯片產(chǎn)品的BlueCore，其芯片組件特別少，減少了功率消耗，更為重要的是，BlueCore包含一個數(shù)字信號處理器基帶去取代常規(guī)的 ARM處理器。藍牙的短程連接和協(xié)議堆棧意味著這個復(fù)雜而消耗功率的處理器無法執(zhí)行日常的藍牙任務(wù)。此外，協(xié)議堆棧的結(jié)構(gòu)使所有數(shù)據(jù)不用通過微處理器。芯片內(nèi)存集線器存儲包括信息包在內(nèi)的數(shù)據(jù)，而微處理器確定數(shù)據(jù)包的類型和結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)包通過DSP傳輸。這種方法限制了單個組件的參與，因此降低了數(shù)據(jù)傳輸和處理過程的功率耗損量。

EDR藍牙

EDR藍牙的增強型數(shù)據(jù)傳輸速率也有助于降低藍牙功耗，EDR芯片被越來越多的消費產(chǎn)品所采用。數(shù)據(jù)傳輸速率最大增加三倍，這意味著數(shù)據(jù)包的傳輸速度快三倍，而無線單元最多在三分之一的時間內(nèi)是激活的，另外設(shè)備可以利用數(shù)據(jù)包之間增加的空間進入低功耗模式，如淺度睡眠或深度睡眠。EDR藍牙的效果目前還是有限的，因為EDR產(chǎn)品必須采用標準數(shù)據(jù)傳輸速率與不具備EDR的v1.1或v1.2設(shè)備進行通訊。

目前所有干擾和功耗問題都已克服了嗎？

藍牙技術(shù)自推出以來，在干擾和功耗方面取得了令人難以置信的進展。我們的設(shè)計工程師們努力將BlueCore打造成最強大的、功率最高的藍牙技術(shù)產(chǎn)品，并不斷研發(fā)芯片結(jié)構(gòu)、低功耗模式和軟件應(yīng)用的新方法，以提供最好的干擾和功耗解決方案。包括自適應(yīng)跳頻(AFH)、分時多路復(fù)用(TDM)、電源控制以及信道質(zhì)量確定數(shù)據(jù)速率(CQDDR)在內(nèi)的共存系統(tǒng)，使藍牙鏈路更為強大，并作為其它流行標準(如802.11b/g Wi-Fi)的補充技術(shù)，改善了藍牙用戶的體驗。

效率和低功耗方面起著關(guān)鍵作用。圖8顯示的是BlueCore3-ROM CSP芯片封裝設(shè)計的一個例子，展示了BlueCore芯片的典型設(shè)計。自最初就設(shè)計成一個單芯片產(chǎn)品的BlueCore，其芯片組件特別少，減少了功率消耗，更為重要的是，BlueCore包含一個數(shù)字信號處理器基帶去取代常規(guī)的 ARM處理器。藍牙的短程連接和協(xié)議堆棧意味著這個復(fù)雜而消耗功率的處理器無法執(zhí)行日常的藍牙任務(wù)。此外，協(xié)議堆棧的結(jié)構(gòu)使所有數(shù)據(jù)不用通過微處理器。芯片內(nèi)存集線器存儲包括信息包在內(nèi)的數(shù)據(jù)，而微處理器確定數(shù)據(jù)包的類型和結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)包通過DSP傳輸。這種方法限制了單個組件的參與，因此降低了數(shù)據(jù)傳輸和處理過程的功率耗損量。

EDR藍牙

EDR藍牙的增強型數(shù)據(jù)傳輸速率也有助于降低藍牙功耗，EDR芯片被越來越多的消費產(chǎn)品所采用。數(shù)據(jù)傳輸速率最大增加三倍，這意味著數(shù)據(jù)包的傳輸速度快三倍，而無線單元最多在三分之一的時間內(nèi)是激活的，另外設(shè)備可以利用數(shù)據(jù)包之間增加的空間進入低功耗模式，如淺度睡眠或深度睡眠。EDR藍牙的效果目前還是有限的，因為EDR產(chǎn)品必須采用標準數(shù)據(jù)傳輸速率與不具備EDR的v1.1或v1.2設(shè)備進行通訊。

目前所有干擾和功耗問題都已克服了嗎？

藍牙技術(shù)自推出以來，在干擾和功耗方面取得了令人難以置信的進展。我們的設(shè)計工程師們努力將BlueCore打造成最強大的、功率最高的藍牙技術(shù)產(chǎn)品，并不斷研發(fā)芯片結(jié)構(gòu)、低功耗模式和軟件應(yīng)用的新方法，以提供最好的干擾和功耗解決方案。包括自適應(yīng)跳頻(AFH)、分時多路復(fù)用(TDM)、電源控制以及信道質(zhì)量確定數(shù)據(jù)速率(CQDDR)在內(nèi)的共存系統(tǒng)，使藍牙鏈路更為強大，并作為其它流行標準(如802.11b/g Wi-Fi)的補充技術(shù)，改善了藍牙用戶的體驗。