藍(lán)牙技術(shù)及其系統(tǒng)原理<1>

藍(lán)牙技術(shù)及其系統(tǒng)原理<1>（劉海文、石振華）
    “藍(lán)牙”（ Bluetooth）技術(shù)是由世界著名的5家大公司——愛立信（Ericsson）、諾
基亞（Nokia、東芝（TOShiba）、國際商用機(jī)器公司（IBM）和英特爾（Intel），于1998年
5月聯(lián)合宣布的一種無線通信新技術(shù)。它是針對目前相距很近的便攜式器件之間的鏈接主要
是用紅外線鏈路（infraredlink，簡稱IrDA）進(jìn)行而提出的。應(yīng)用紅外線收發(fā)器鏈接雖然能
免去電線或電纜的連接，但是使用起來有許多不便，不僅距離只限于1～2m，而且必須在視
線上直接對準(zhǔn)，中間不能有任何阻擋，同時(shí)只限于在兩個設(shè)備之間進(jìn)行鏈接，不能同時(shí)鏈接
更多的設(shè)備。另一方面，人們對無線電通信技術(shù)很熟悉，無線電技術(shù)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通信，
可以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信以至宇宙太空的通信。但人們也許沒有注意到，在同一間屋內(nèi)或在相距鵬
尺的地方，無線電也能發(fā)揮巨大的作用�！八{(lán)牙”技術(shù)的目的是使特定的移動電話、便攜式
電腦以及各種便攜式通信設(shè)備的主機(jī)之間在近距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)無縫的資源共享。
1藍(lán)牙技術(shù)
    “藍(lán)牙”（Bluetooth）原為歐洲中世紀(jì)的丹麥皇帝HnddⅡ的名字，他為統(tǒng)一四分五裂
的瑞典、芬蘭、丹麥有著不朽的功勞。瑞典的Ericsson公司為這種即將成為全球通用的無線
技術(shù)命此名，也許大有一統(tǒng)天下的含義。
    藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，它以低成本的近距離無線連接
為基礎(chǔ)，為固定與移動設(shè)備通信環(huán)境建立一個特別連接的短程無線電技術(shù)。其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是要
建立通用的無線電空中接口（radio air interface）及其控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn)，使通信和
計(jì)算機(jī)進(jìn)一步結(jié)合，使不同廠家生產(chǎn)的便攜式設(shè)備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能
在近距離范圍內(nèi)具有互用、相互操作的性能（interoperability）。其程序?qū)懺谝粋�9mm×
9mm的微芯片中。
    “藍(lán)牙”技術(shù)的作用是簡化小型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如移動PC、掌上電腦、手機(jī)）之間以及這些
設(shè)備與Internet之間的通信，免除在無繩電話或移動電話、調(diào)制解調(diào)器、頭套式送／受話器、
PDAs、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、幻燈機(jī)、局域網(wǎng)等之間加裝電線、電纜和連接器。而且，這種技術(shù)
可以延伸到那些完全不同的新設(shè)備和新應(yīng)用中去。例如，如果把藍(lán)牙技術(shù)引人到移動電話和
膝上型電腦中，就可以去掉移動電話與膝上型電腦之間的令人討厭的連接電纜而通過無線使
其建立通信。打印機(jī)、PDA、桌上型電腦、傳真機(jī)、鍵盤、游戲操縱桿以及所有其它的數(shù)字設(shè)
備都可以成為藍(lán)牙
系統(tǒng)的一部分。除此之外，藍(lán)牙無線技術(shù)還為已存在的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)提供通用接口以組建
一個遠(yuǎn)離固定網(wǎng)絡(luò)的個人特別連接設(shè)備群。
    “藍(lán)牙”技術(shù)的無線電收發(fā)器的鏈接距離可達(dá)30英尺，不限制在直線范圍內(nèi)，甚至設(shè)備
不在同一間房內(nèi)也能相互鏈接；并且可以鏈接多個設(shè)備，最多可達(dá)7個，這就可以把用戶身邊
的設(shè)備都鏈接起來，形成一個“個人領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)”（Personal areanetwork）。
2藍(lán)牙系統(tǒng)
    在了解藍(lán)牙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之前，先熟悉藍(lán)牙系統(tǒng)幾個常用的專有名詞。
    *Piconet：通過藍(lán)牙技術(shù)連接在一起的所有設(shè)備被認(rèn)為是一個piconet。一個piconet可
以只是兩臺相連的設(shè)備，比如一臺便攜式電腦和一部移動電話，也可以是8臺連在一起的設(shè)備。
在一個piconet中，所有設(shè)備都是級別相同的單元，具有相同的權(quán)限。但是在piconet網(wǎng)絡(luò)初
建時(shí)，其中一個單元被定義為master，其它單元被定義為slave。
    *Master unit：主單元，即在一個piconet中，其時(shí)鐘和跳頻順序被用來同步其它單元的
設(shè)備。
    *Slave units：從單元，即piconet中不是master的所有設(shè)備。
    * Scatternet：幾個獨(dú)立且不同步的piconet組成一個scatternet。
    * Mac address：用來區(qū)分piconet中各單元的長度為3比特的地址。
    Parked units：暫停單元，即piconet中與網(wǎng)絡(luò)保持同步但沒有Mac address的設(shè)備。
    *Sniff and hold mode：呼吸與保持模式，與網(wǎng)絡(luò)同步但進(jìn)入睡眠狀態(tài)以節(jié)省能源的一
種工作模式。
    藍(lán)牙系統(tǒng)一般由以下4個功能單元組成：
    * 天線單元
    *鏈路控制（固件）單元
    *鏈路管理（軟件）單元
    *藍(lán)牙軟件（協(xié)議）單元
2.1天線單元
    藍(lán)牙要求其天線部分體積十分小巧、重量輕，因此，藍(lán)牙天線屬于微帶天線。藍(lán)牙空中
接口是建立在天線電平為0 dBm的基礎(chǔ)上的。空中接口遵循Federal communication Commission
（簡稱FCC，即美國聯(lián)邦通信委員會）有關(guān)電平為 0 dBm的ISM頻段的標(biāo)準(zhǔn)。如果全球電平達(dá)
到 100 mw以上，可以使用擴(kuò)展頻譜功能來增加一些補(bǔ)充業(yè)務(wù)。頻譜擴(kuò)展功能是通過起始頻
率為2.402GHz，終止頻率為2.480GHz，間隔為1MHz的79個跳頻頻點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的。出于某些本地
規(guī)定的考慮，日本、法國和西班牙都縮減了帶寬。最大的跳頻速率為1660跳／s。理想的連
接范圍為100mm～10m，但是通過增大發(fā)送電平可以將距離延長至100m。
    藍(lán)牙工作在全球通用的2.4GHzISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。藍(lán)牙的數(shù)據(jù)速率為
1Mb／s。 ISM頻帶是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻帶，因此使用其中的某個頻段都會遇到不
可預(yù)測的干擾源。例如某些家電、無繩電話、汽車房開門器、微波爐等等，都可能是干擾。
為此，藍(lán)牙特別設(shè)計(jì)了快速確認(rèn)和跳頻方案以確保鍵路穩(wěn)定。跳頻技術(shù)是把頻帶分成若干個
跳頻信道（hop channel），在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列（即一定的規(guī)律，
技術(shù)上叫做“偽隨機(jī)碼”，就是“假”的隨機(jī)碼）不斷地從一個信道“跳”到另一個信道，
只有收發(fā)雙方是按這個規(guī)律進(jìn)行通信的，而其它的干擾不可能按同樣的規(guī)律進(jìn)行干擾；跳額
的瞬時(shí)帶寬是很窄的，但通過擴(kuò)展頻譜技術(shù)使這個窄帶成百倍地?cái)U(kuò)展成寬頻帶，使干擾可能
造成的影響變得很小。時(shí)分雙工（Time Division Duplex，簡稱TDD）方案被用來實(shí)現(xiàn)全雙
工傳輸。
    與其它工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍(lán)牙跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，這使藍(lán)牙比其它系統(tǒng)
都更穩(wěn)定。FEC（ForwardErrorCorrection，前向糾錯）的使用抑制了長距離鏈路的隨機(jī)噪
音；應(yīng)用了二進(jìn)制調(diào)頻（FM）技術(shù)的跳頻收發(fā)器被用來抑制干擾和防止衰落。
2.2鏈路控制（固件）單元
    在目前藍(lán)牙產(chǎn)品中，人們使用了3個IC分別作為聯(lián)接控制器、基帶處理器以及射頻傳輸／
接收器，此外還使用了30～50個單獨(dú)調(diào)諧元件。
    基帶鏈路控制器負(fù)責(zé)處理基帶協(xié)議和其它一些低層常規(guī)協(xié)議。
    基帶控制器有3種糾錯方案：
    *1／3比例前向糾錯（FEC）碼；
    *2／3比例前向糾錯碼；
    *數(shù)據(jù)的自動請求重發(fā)方案。
    采用FEC（前向糾錯）方案的目的是為了減少數(shù)據(jù)重發(fā)的次數(shù)，降低數(shù)據(jù)傳輸負(fù)載。但
是，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無差錯傳輸，F(xiàn)EC就必然要生成一些不必要的開銷比特而降低數(shù)據(jù)的傳送
效率。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)包對于是否使用FEC是彈性定義的。報(bào)頭總有占1／3比例的FEC碼起保
護(hù)作用，其中包含了有用的鍵路信息。
    在無編號的ARQ方案中，在一個時(shí)隙中傳送的數(shù)據(jù)必須在下一個時(shí)隙得到收到的確認(rèn)。
只有數(shù)據(jù)在收端通過了報(bào)頭錯誤檢測和循環(huán)冗余檢測后認(rèn)為無錯才向發(fā)端發(fā)回確認(rèn)消息，否
則返回一個錯誤消息。比如藍(lán)牙的話音信道采用Continuous VariableSlope Dalta 
Modulation（簡稱CVSD，即連續(xù)可變斜率增量調(diào)制技術(shù)）話音編碼方案，獲得高質(zhì)量傳輸?shù)?br />音頻編碼。CVSD編碼擅長處理丟失和被損壞的語音采樣，即使比特錯誤率達(dá)到4％，CVSD編
碼的語音還是可聽的。
    而Cambridge Consultants公司Cambridge Silicon Radio。就提出了他們的看法。這個
公司的人門產(chǎn)品是一個單芯片傳輸器和聯(lián)接控制器。公司稱之為BlueCore和BlueStack。這
是一個完整的藍(lán)牙，不需要外部的SAW濾波器、陶瓷電容或感應(yīng)器，產(chǎn)品集成度非常高，使
用了0.18或0.15pm技術(shù)，能夠在幾乎不增加成本的情況下把基帶電路加到芯片中。