蓝牙原理—Radio射频协议

开会时被主管问到蓝牙到底是怎么工作的，竟然不能很好的清晰的表述出来，平时更多的关注蓝牙软件部分，有必要了解一下蓝牙实现原理，整理最近学习传统蓝牙技术（BR/EDR）的一些基本概念，有助于蓝牙后续学习~

参考：《蓝牙核心技术与应用》《蓝牙技术》http://www.wowotech.net/bluetooth/bt_protocol_arch.html

蓝牙有三种技术：ER/EDR（传统蓝牙）、LE（低功耗）和AMP，本文主要介绍传统蓝牙

蓝牙射频部分主要处理空中数据的收发

1.基础

微微网和角色：根据蓝牙设备在网路中的角色，可分为主设备（Master）与从设备（Slave），主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，而连接响应方则为从设备，几个蓝牙设备连接成一个微微网（Piconet），其中只有一个主设备，其余均为从设备，最简单的微微网是一个主设备和一个从设备组成的点对点通信连接。

 

散射网（Scatternet）：多个微微网在时间上和空间上互相重叠而构成的更加复杂的网络拓扑结构称为散射网，散射网中的蓝牙设备可以是某个微微网的从设备，也可以是另一个微微网的主设备，每个微微网的跳频序列各自独立，互不相关，同一微微网的所有设备跳频序列同步。通过分时复用技术，一个蓝牙设备可以同时与几个不同微微网保持同步，具体来说，就是该设备按照一定的时间顺序参与不同的微微网，即某一时刻参与某一个微微网，而下一个时刻参与另一个微微网。

蓝牙协议：是蓝牙设备间交换信息所应遵守的规则，蓝牙协议体系采用分层结构，从底层到高层形成了蓝牙协议栈，各层协议定义了完成的功能和使用的数据分组格式。下图是射频在蓝牙协议栈中的位置和主要功能

2.射频规范

射频规范：射频是指介于声音频率与红外线频率之间的电磁波频率，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，接收灵敏度等参数。如蓝牙设备发射功率有3个功率级别

工作频段：工作在无需许可证的，全球统一开放的2.4GHz ISM（工业，科学，医学，Industrial，Scientific and Medical）频段上（无线电也是一种资源，该频道使用无须向各国的无线电资源管理部门申请许可证），蓝牙采用了跳频扩谱技术主动的去避免工作频段受干扰（来自微波炉，wifi，其他蓝牙），如下图，我国蓝牙信道有79个频点，2402—2490MHz，每个频道带宽是1MHz，79个调频频点中至少有75个应该伪随机的进行跳变，在一个30s的时间段内，任何一个频点的使用时间不得超过0.4s

跳频：工作在ISM频段的无线电设备有很多种，比如家用微波炉，WLAN等，为了抵抗来自这些设备的干扰，蓝牙采用了跳频（Frequency Hopping）方式来扩展频谱（Spread Spectrum），将2.402~2.48GHz频段分成79个频点，相邻频点间隔1MHz，蓝牙设备在某个频点发送数据后，再跳到另一个频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟频率改变1600次，每个频率持续625us，称为间隙（Time Slot）。

物理信道：由伪随机序列控制的79个跳频频点构成，即不同的跳频序列代表着不同的信道，如图标出了3个调频序列k(i)，即随机序列，在不同时刻i，这3个序列对应着不同的跳频频点，也就是说他们对应着不同的蓝牙跳频信道。

BR/EDR（传统蓝牙）定义了5种物理信道：ER/EDR Basic Piconet Physical Channel，ER/EDR Adapted Piconet Physical Channel，BR/EDR Page Scan Physical Channel，ER/EDR Inquiry Scan Physical Channel和ER/EDR Synchronization Scan Channel，这5种不同的信道使用频点和调频频率存在不同，传输的分组数据也存在不同

BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel用于蓝牙设备的发现操作（discovery），即我们常用的搜索其它蓝牙设备（discover）以及被其它蓝牙设备搜索（discoverable）。

BR/EDR Page Scan Physical Channel用于蓝牙设备的连接操作（connect），即我们常用的连接其它蓝牙设备（connect）以及被其它蓝牙设备连接（connectable）。

BR/EDR  Basic Piconet Physical Channel和BR/EDR  Adapted Piconet Physical Channel主要用在处于连接状态的蓝牙设备之间的通信。它们的区别是，BR/EDR  Adapted Piconet Physical Channel使用较少的RF跳频点。BR/EDR Basic Piconet Physical Channel使用全部79个跳频点，而BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel是根据当前的信道情况使用79个跳频点中的子集，但是跳频数目也不能少于20个。这个主要是因为蓝牙使用ISM频段，当蓝牙和WIFI共存的时候，部分跳频点被WIFI设备占用而使得蓝牙设备在这些跳频点上的通信总是失败，因此，需要避过那些WIFI设备占用的频点。

BR/EDR Synchronization Scan Channel可用于无连接的广播通信。

同一时刻，蓝牙设备只能在其中一个物理信道上通信，为了支持多个并行的操作，蓝牙系统采用时分方式，即不同的时间点采用不同的信道。

任意时间只可以使用上述5个通道中的一个。为了支持同时复用操作，设备在通道之间使用时分复用技术。这样一来，蓝牙设备可以在多个piconet中同时操作，也是可连接和可发现的。

信道和链路的区别：一直分不清信道和链路，信道指具体的传输信息的物质，例如电缆，光纤，电磁波等物理媒介，链路是指两点之间建成的传输数据的通路，这条通路中可能经过多个相同或不同的信道，如几根电缆，几根光纤等，两点之间一旦联通，就成了一条链路，信道传输的是信号，链路传输的是数据

物理链路：通信设备之间物理层的数据连接通道就是物理链路，蓝牙有两种链路类型，异步无连接（Asynchronous Connection-less，ACL）链路和同步面向连接（Synchronous Connection-Oriented，SCO），ACL链路支持对称或非对称、分组交换和多点连接，适用于数据传输，SCO链路支持对称，电路交换和点到点连接，适用于传输语音。

时隙（Time Slot）：蓝牙的跳频频率是1600次/秒，每个频率持续的时间是625us（1s/1600）称为一个时隙，时隙按照微微网的主设备时钟进行编号，编号从0~227-1，并以周期227循环，同一微微网内的主从设备之间按照时分双工（Time Division Duplexer，TDD）机制进行数据传输，如图，主设备在偶数时隙发送数据，在奇数时隙接受数据，从设备在偶数时序接受数据，在奇数时序发送数据，数据分组的收发必须与时隙精确同步，根据分组的大小，一个数据分组可以占用1~5个时隙进行发送与接受

 

在发送一个数据分组期间，射频的频率保持恒定，如图，对于占用2个或2个以上时隙的多时隙分组，射频频率在整个分组的发送期间保持不变，单时隙分组，射频频率由当前蓝牙时钟值确定。

蓝牙射频部分主要处理空中数据的收发，空中数据从哪里来，射频何时发送，何时接收，某一时刻采用哪一个频点收发数据，射频发射功率采用哪一个等问题，是蓝牙基带baseband和链路控制器Link Controller解决的问题，参考下一篇博客！