藍(lán)牙

相關(guān)專(zhuān)題: 無(wú)線 芯片
1.導(dǎo)語(yǔ)



  隨著寬帶通信時(shí)代的來(lái)臨,寬帶數(shù)據(jù)傳輸成為必要的條件,人們對(duì)于因特網(wǎng)與應(yīng)用技術(shù)結(jié)合的需求也越來(lái)越迫切,已成為未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)相當(dāng)熱門(mén)的話題。由于第二代移動(dòng)通訊系統(tǒng)(The 2nd Generation Wireless System)已無(wú)法滿足人們的需求,現(xiàn)正積極開(kāi)發(fā)中的第三代移動(dòng)通訊技術(shù)將會(huì)朝向提供達(dá)2Mbps高速服務(wù)功能發(fā)展,期望在未來(lái)能提供一個(gè)結(jié)合話音(Voice)、數(shù)據(jù)(Data)、視訊(Video)多媒體傳輸服務(wù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊環(huán)境。



  目前有一種在10米到100米以內(nèi)、無(wú)方向性的短距離無(wú)線通訊新技術(shù)——藍(lán)牙(Bluetooth)是近年積極發(fā)展出的最新無(wú)線通訊技術(shù),它將取代可攜式計(jì)算機(jī)、外圍設(shè)備與移動(dòng)電話間的線纜,成為一種開(kāi)放的無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)。隨著信息家電(IA Information Appliance)的發(fā)展趨勢(shì)和產(chǎn)品誕生,家庭當(dāng)中的各項(xiàng)電子產(chǎn)品逐漸有了處理數(shù)據(jù)的能力。而有了藍(lán)牙之后,家電產(chǎn)品更可以形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,將各種信息直接在彼此之間流動(dòng)。



  Bluetooth的應(yīng)用大約可涵蓋三個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,即取代纜線功能(Cable Replacement)、個(gè)人隨意網(wǎng)絡(luò)(Personal Ad-Hoc Network)、與網(wǎng)絡(luò)接取設(shè)備(Data/Voice Access Point )。身處于通訊信息科技發(fā)達(dá)的時(shí)代,身邊一大堆計(jì)算機(jī)線、鍵盤(pán)線、鼠標(biāo)線、電話線、耳機(jī)線等等,各種無(wú)所不在的混亂纜線纏身,卻又不得不使用,感到苦惱不已。所以Bluetooth將取代所有移動(dòng)設(shè)備現(xiàn)有的連接線功能,改用無(wú)線電波傳輸,如語(yǔ)音傳輸?shù)拿獬质铰?tīng)筒、數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌谠O(shè)備、或是指令傳輸?shù)目刂圃O(shè)備等。個(gè)人網(wǎng)絡(luò)則是隨時(shí)隨地提供一個(gè)立即可用的網(wǎng)絡(luò)通訊傳輸環(huán)境,以分享網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其它計(jì)算機(jī)設(shè)備上的檔案或網(wǎng)絡(luò)資源。網(wǎng)絡(luò)接取設(shè)備則提供更廣泛的網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)用,通過(guò)對(duì)外有線網(wǎng)絡(luò)或因特網(wǎng)的連接服務(wù),使用者可以無(wú)線方式連接網(wǎng)絡(luò)上所有的資源,達(dá)到無(wú)線上網(wǎng)傳輸?shù)木辰纭?br>


  未來(lái)應(yīng)用Bluetooth產(chǎn)品大致可歸類(lèi)成便宜、微小、易用三個(gè)技術(shù)重點(diǎn),分述如下:



  ★便宜-整合RF與Baseband成單一芯片,盡量將IC以外組件整合至芯片中。



  ★微。蛇\(yùn)用先進(jìn)的封裝技術(shù)(flipchip、BGA...),盡量縮小封裝后的芯片體積;將一些IC整合不進(jìn)去的被動(dòng)組件埋入LTCC基板。



  ★易用-Bluetooth是最簡(jiǎn)單的產(chǎn)品概念,卻也是最復(fù)雜的系統(tǒng)技術(shù),其通訊協(xié)議復(fù)雜度接近GSM,認(rèn)證規(guī)格非常復(fù)雜,根據(jù)不同使用有不同profile,例如:Generic Access profile為所有應(yīng)用之基礎(chǔ),用來(lái)確保Bluetooth 基本傳輸功能的正確性,Bluetooth產(chǎn)品必須通過(guò)此Profile驗(yàn)證;Service Discovery Profile則是規(guī)范Bluetooth產(chǎn)品尋找鄰近可提供連結(jié)服務(wù)設(shè)備的程序等等。雖然Bluetooth相關(guān)協(xié)議非常復(fù)雜,但對(duì)使用者來(lái)說(shuō)是非常容易操作的產(chǎn)品。



2.淺談藍(lán)牙Bluetooth



  藍(lán)牙的核心概念,原為以移動(dòng)電話為核心工具,通過(guò)手機(jī)的單一接口來(lái)控制廣泛使用的信息、消費(fèi)性電子產(chǎn)品,包括PC、Notebook、PDA、MP3、數(shù)字相機(jī)甚至汽車(chē)設(shè)備與家電用品。換言之,藍(lán)牙技術(shù)持續(xù)發(fā)展的最終型態(tài),是在既有的有線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,完成網(wǎng)絡(luò)無(wú)線化個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)Personal Area Network PAN;此范圍在10米到100米,最少可以容納八個(gè)小網(wǎng)絡(luò),上、下傳速度均為432Kbps,但采非對(duì)稱(chēng)式時(shí),上傳為56Kbps、下傳則提高為721Kbps,未來(lái)則可擴(kuò)充為2Mbps,提高計(jì)算機(jī)及移動(dòng)電話的通訊能力。其輸出功率為1mW,傳輸距離大約為10米,另外對(duì)于有需要較長(zhǎng)距離傳輸?shù)脑O(shè)備,其最高輸出功率可達(dá)100mW20db,傳輸距離大約可達(dá)50-100米,Bluetooth所采用的數(shù)字調(diào)制技術(shù)Gaussian Frequency Shift Keying; GFSK調(diào)制技術(shù),傳輸速率為1Mbps,但實(shí)際上最高有效數(shù)據(jù)傳輸速率只有721Kbps。此時(shí)網(wǎng)絡(luò)將不再受到地域與線路的限制,而是真正的隨身上網(wǎng)與資料互換。藍(lán)牙由無(wú)線射頻及基頻模塊構(gòu)成,為了能達(dá)到在全球均能運(yùn)作的目標(biāo),系統(tǒng)所需頻率必須要全球各地都能很容易取得的頻帶,且此頻帶必須是未受法規(guī)限定的頻帶及公開(kāi)給無(wú)線電使用的,該頻段在全球各國(guó)家都屬于共通的頻譜,唯一符合此項(xiàng)要求的便是2.45GHz-稱(chēng)為工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療ISM的頻帶。傳輸速率更高、應(yīng)用更廣,可以符合未來(lái)寬帶網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的要求。



3.藍(lán)牙技術(shù):



  藍(lán)牙采用擴(kuò)頻通訊中的跳頻技術(shù)。



  最下層的RF與Baseband專(zhuān)職信號(hào)處理,兩層合起來(lái)就是所謂的物理層Physical Layer。RF使用2.4GHz到2.5GHz之間的頻段ISM。由于ISM 是一個(gè)開(kāi)放的頻段,因此無(wú)線電系統(tǒng)在這個(gè)頻段操作時(shí),必需要有足夠的能力去克服各種不可預(yù)測(cè)的干擾源,像是無(wú)線電話及微波爐(最強(qiáng)的干擾源)等裝置的干擾。為了有效降低干擾源的影響,我們可以尋找未使用的頻段來(lái)傳送訊息,且利用頻譜擴(kuò)展(Spectrum Spreading)的方法來(lái)減少干擾源的影響。



 。拢欤酰澹簦铮铮簦 RF模塊采用跳頻式擴(kuò)頻技術(shù)(FHSS:Frequency Hopping Spread Spectrum)來(lái)傳送信息,為了要達(dá)到低成本、低消耗功率的目標(biāo),因此跳頻系統(tǒng)將頻帶分成幾個(gè)跳頻信道(Hop Channel)。在連結(jié)的期間,Radio transceiver以虛擬隨機(jī)(Pseudo-random PN)的方式來(lái)產(chǎn)生跳頻信道。雖然,跳頻無(wú)線系統(tǒng)的瞬間(跳躍)頻寬非常小,但擴(kuò)展的頻寬可涵蓋整個(gè)頻段。這個(gè)低成本的窄頻Transceiver ,將使干擾的影響降至最低。在連結(jié)的期間,當(dāng)干擾訊號(hào)干擾跳頻信道時(shí),將造成錯(cuò)誤的接收,此時(shí)接收機(jī)的錯(cuò)誤更正系統(tǒng)(error-correction scheme)將對(duì)干擾做出最佳的處理。



4.Bluetooth的運(yùn)作方式與協(xié)議:



 。ǎ保拢欤酰澹簦铮铮簦璧倪\(yùn)作方式



 。拢欤酰澹簦铮铮簦枋且环N短距離無(wú)線通訊傳輸接口,允許的傳輸距離長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為10米到100米,當(dāng)含有Bluetooth的手機(jī)或計(jì)算機(jī)等在多個(gè)含Bluetooth裝置的環(huán)境中,設(shè)備尚未加入藍(lán)牙微網(wǎng)時(shí),它會(huì)先進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。在此狀態(tài)下,它會(huì)隨時(shí)監(jiān)聽(tīng)傳呼訊息,直到收到的信號(hào)與自己本身的識(shí)別碼有相關(guān)時(shí),自己才會(huì)激活Bluetooth服務(wù)稱(chēng)為Master時(shí),開(kāi)始尋找外圍所有Bluetooth裝置稱(chēng)為Slave,并且呼叫連結(jié)程序。接下來(lái)則進(jìn)行識(shí)別碼的確認(rèn)及信號(hào)時(shí)間的同步,以便決定往后跳頻之Sequence,而將這些裝置連成一個(gè)群體,稱(chēng)為微網(wǎng)Piconet?捎桑拢欤酰澹簦铮铮簦栊纬梢粋(gè)微網(wǎng)的方式來(lái)分享資料,可提供7-8?jìng)(gè)主動(dòng)服務(wù)者Active Slave Device以及255個(gè)等待服務(wù)者Standby Slave Device 。為了維持信息的傳送,微網(wǎng)內(nèi)的其中一個(gè)裝置為此微網(wǎng)的主控裝置,而其它裝置則為從屬裝置。在微網(wǎng)內(nèi)的任何一個(gè)裝置都可以成為主控裝置,但在任何時(shí)間中微網(wǎng)內(nèi)只有一個(gè)主控裝置。Bluetooth提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多的連結(jié)方式,各個(gè)Bluetooth裝置連結(jié)建立都由Master來(lái)主控,在一個(gè)區(qū)域內(nèi),同時(shí)可以加入多個(gè)微網(wǎng),這種多個(gè)微網(wǎng)架構(gòu)所組成稱(chēng)為疊網(wǎng)Scatternet。



 。ǎ玻拢欤酰澹簦铮铮簦鑵f(xié)議:



  基本通訊硬件的機(jī)制能夠作點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸,所以網(wǎng)絡(luò)通訊能提供便利的、高層次的應(yīng)用接口軟件。這軟件大部分處理低層次的通訊項(xiàng)目及自動(dòng)化的程序?奢^容易應(yīng)用到通訊上,大部分的應(yīng)用程序依靠網(wǎng)絡(luò)軟件聯(lián)機(jī)。當(dāng)傳送資料時(shí),在復(fù)雜的通訊上必須取得一致的規(guī)格,此規(guī)格稱(chēng)為協(xié)議Protocol。以上已經(jīng)提過(guò)了一些Bluetooth相關(guān)的協(xié)議,在這里為協(xié)議作詳細(xì)的說(shuō)明:



 。幔谖锢韺樱煟校瑁螅椋悖幔欤犐蠟椋蹋停校煟蹋椋睿 manager Protocol協(xié)議,主控不同組件間的聯(lián)機(jī)控制、組件的連結(jié)狀態(tài),傳輸封包的加解密和身分認(rèn)證等。



 。猓龋铮螅 Controller Interface用來(lái)界定Bluetooth與Host設(shè)備之間連結(jié)接口的控制指令。



 。悖蹋玻茫粒校煟蹋铮纾椋悖幔 Link Control and Adaptation Protocol協(xié)議,負(fù)責(zé)對(duì)上層不同應(yīng)用的軟件接口網(wǎng)絡(luò)連結(jié)功能,而對(duì)應(yīng)于不同的應(yīng)用程序,此所謂多任務(wù)。另外也提供Multiplexing、Quality Of Service服務(wù)品質(zhì)、封包切割Segmentation與整合Reassembly的等服務(wù)功能,將上層傳下來(lái)的信息包整理成64K字節(jié)。



 。洌遥疲茫希停 RF Communication 協(xié)議,提供串行聯(lián)機(jī)的功能,類(lèi)似RS232的控制信號(hào)與資料收發(fā)的信號(hào)。



 。澹裕茫 Telephony Control Service 協(xié)議,其中是二元化 TCS BIN ,負(fù)責(zé)電話聯(lián)機(jī)信號(hào)的建立控制Call Control、移動(dòng)漫游管理 Mobility Management。另外為AT指令AT Command,此用來(lái)讓手機(jī)或計(jì)算機(jī)等經(jīng)由Bluetooth連上的硬件接口來(lái)上網(wǎng),此時(shí)也提供傳真的指令。



 。妫樱模校煟樱澹颍觯椋悖 Discovery Protocol 協(xié)議,其中包含服務(wù)的紀(jì)錄,主要記錄服務(wù)特性和身份認(rèn)證。另外是描述有關(guān)服務(wù)發(fā)現(xiàn)后所要作的事情,主要建立一個(gè)通話聯(lián)機(jī),所使用通話協(xié)議。



  g.Profiles API層則分別對(duì)Audio、Data、Control等提供了不同的模塊。目前已規(guī)范有四大類(lèi)、十三種協(xié)議規(guī)格。



  h.Application則是依據(jù)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、控制等應(yīng)用需求,提供應(yīng)用軟件所需的通訊協(xié)議功能與應(yīng)用程序接口。



5.結(jié)語(yǔ)及未來(lái)產(chǎn)望發(fā)展:



  由于目前的藍(lán)牙技術(shù)還有許多技術(shù)上和共通性上必須整合,所以歸納了目前藍(lán)牙必須努力的地方:



 。保浖_(kāi)發(fā)能力有待加強(qiáng):SIG會(huì)員有高達(dá)1900家,其實(shí)要進(jìn)行Bluetooth的硬件開(kāi)發(fā)并不難,最重要還是在軟件的開(kāi)發(fā),工程師必須在通訊協(xié)議、規(guī)范與應(yīng)用之間做好定義,以方便不同的Bluetooth產(chǎn)品間能夠互傳信息。



  2.價(jià)格過(guò)高:完整的藍(lán)牙模塊包括硬件的芯片組標(biāo)準(zhǔn)版須用三顆Chips與軟件管理部份,其中目前分別以單芯片制造的基頻Baseband及射頻Radio Frequency Circuit組件,不過(guò)藍(lán)牙模塊的設(shè)計(jì)廠商亦不斷設(shè)法減少模塊中的芯片數(shù)量以達(dá)降低成本目標(biāo),其中射頻、基頻以外的第三芯片成為首要對(duì)象主要是Memory部份;目前已成功地將芯片數(shù)由3顆降至2顆。更宣稱(chēng)開(kāi)發(fā)出將基頻、射頻及其它微處理器整合在單一芯片SOC的技術(shù),同時(shí)成本也逼近未來(lái)希望的5美元。



  未來(lái)藍(lán)牙技術(shù)初期應(yīng)用上First Wave將采取從筆記本計(jì)算機(jī)、PDA等高價(jià)產(chǎn)品;Second Wave往下延伸的方式發(fā)展為低價(jià)的手機(jī)、數(shù)字相機(jī)、PC外圍、傳真機(jī)等;最后Third Wave當(dāng)藍(lán)牙使用環(huán)境更為成熟時(shí),更可延伸到所有的信息家電產(chǎn)品,并與其它類(lèi)型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)骨干IEEE802.11或Home RF等技術(shù)相結(jié)合。明日家電為信息家電IA(Information Appliance),這些將具備下列特色,(一)獨(dú)特單一的功能。(二)更人性有效率的操控感。(三)上網(wǎng)功能。(四)無(wú)線區(qū)域通訊傳輸。(五)更省電。藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)入家庭后,家電之間的區(qū)域無(wú)線溝通傳輸,也是重要的發(fā)展趨勢(shì)。



  未來(lái)無(wú)線通訊應(yīng)用的終端產(chǎn)品將會(huì)整合信息產(chǎn)品的功能,并逐漸朝向輕、薄、短、小的方向發(fā)展,讓使用者易于攜帶及使用。但將所有功能集于一身將會(huì)使應(yīng)用產(chǎn)品失去上述輕巧的功能,而若在設(shè)備之間仍以聯(lián)機(jī)傳輸也會(huì)造成相當(dāng)不便,因此能夠提供各個(gè)設(shè)備之間無(wú)線傳輸功能的藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)便成為大家所期待。藍(lán)牙技術(shù)希望能夠以無(wú)線電波傳輸取代有線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī),提供一個(gè)不受有形線路束縛,而能隨時(shí)隨地傳輸語(yǔ)音及數(shù)據(jù)的通訊環(huán)境,達(dá)成信息相互溝通的目的。藍(lán)牙技術(shù)與產(chǎn)品發(fā)展對(duì)于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)的普及化有絕對(duì)性的正面助益,藍(lán)牙的優(yōu)越性與兼容性將使其具備形成未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主流架構(gòu)的潛力,也將進(jìn)一步改變?nèi)祟?lèi)未來(lái)的生活型態(tài)。



----《通信世界報(bào)》

   

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