蓝牙的工作原理

最近在整理蓝牙知识。

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1. 蓝牙通信的主与从

蓝牙技术规定每一对设备之间进行蓝牙通讯时，必须一个为主角色，另一

为从角色，才能进行通信，通信时，必须由主端进行查找，发起配对，建链成功

后，双方 即可收发数据。理论上，一个蓝牙主端设备，可同时与7个蓝牙从端

设备进行通讯。一个具备蓝牙通讯功能的设备， 可以在两个角色间切换，平时

工作在从模式，等待其它主设备来连接，需要时，转换为主模式，向其它设备发

起呼叫。一个蓝牙设备以主模式发起呼叫时，需要知道 对方的蓝牙地址，配对

密码等信息，配对完成后，可直接发起呼叫。

 

2. 蓝牙的呼叫过程

 

    蓝牙主端设备发起呼叫，首先是查找，找出周围处于可被查找的蓝牙设备。

主端设备找到从端蓝牙设备后，与从端蓝牙设 备进行配对，此时需要输入从端

设备的PIN 码，也有设备不需要输入PIN码。配对完成后，从端蓝牙设备会记录

主端设备的信任信息，此时主端即可向从端设备 发起呼叫，已配对的设备在下

次呼叫时，不再需要重新配对。已配对的设备，做为从端的蓝牙耳机也可以发起

建链请求，但做数据通讯的蓝牙模块一般不发起呼叫。 链路建立成功后，主从

两端之间即可进行双向的数据或语音通讯。在通信状态下，主端和从端设备都可

以发起断链，断开蓝牙链路。

 

3. 蓝牙一对一的串口数据传输应用

    蓝牙数据传输应用中，一对一串口数据通讯是最常见的应用之一，蓝牙设

备在出厂前即提前设好两个蓝牙设备之间的配对信息，主端预存有从端设备的

PIN 码、 地址等，两端设备加电即自动建链，透明串口传输，无需外围电路干

预。一对一应用中从端设备可以设为两种类型，一是静默状态，即只能与指定的

主端通信，不被 别的蓝牙设备查找;二是开发状态，既可被指定主端查找，也可

以被别的蓝牙设备查找建链。

蓝牙"（ Bluetooth）技术是由世界著名的5家大公司--爱立信（Ericsson）、诺基亚（Nokia、东芝（Toshiba）、国际商用机器公司（IBM）和英特尔（Intel），于1998年5月联合宣布的一种无线通信新技术，借用了一千多年前一位丹麦皇帝哈拉德·布鲁斯（Harald Bluetooth）的名字命名的。它是针对目前相距很近的便携式器件之间的链接主要是用红外线链路（infraredlink，简称IrDA）进行而提出的。应用红外线收发器链接虽然能免去电线或电缆的连接，但是使用起来有许多不便，不仅距离只限于1～2m，而且必须在视线上直接对准，中间不能有任何阻挡，同时只限于在两个设备之间进行链接，不能同时链接更多的设备。另一方面，人们对无线电通信技术很熟悉，无线电技术能实现远距离的通信，可以实现卫星通信以至宇宙太空的通信。"蓝牙"技术的目的是利用短距离、低成本的无线多媒体通讯技术在小范围内将各种移动通讯设备、固定通讯设备、计算机及其终端设备、各种数字系统（包括数字照相机、数字摄影机等）甚至家用电器连接起来，实现无缝的资源共享。1999年7月，蓝牙正式公布了蓝牙技术规范Bluetooth Version1.0。蓝牙已成为通讯领域目前的一个新热点，极有可能在不远的将来成为小范围无线多媒体通讯的国际标准。
2        蓝牙的技术特点
    蓝牙技术利用短距离、低成本的无线连接替代了电缆连接，从而为现存的数据网络和小型的外围设备接口提供了统一的连接。它具有许多优越的技术性能，以下介绍一些主要的技术特点。
2.1        射频特性
    蓝牙设备的工作频段选在全世界范围内都可以自由使用的2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频段，这样用户不必经过申请便可以在2400～2500MHz范围内选用适当的蓝牙无线电收发器频段。频道采用23个或79个，频道间隔均为1MHz，采用时分双工方式。调制方式为BT= 0.5的GFSK，调制指数为0.28～ 0.35。蓝牙的无线发射机采用FM调制方式，从而能降低设备的复杂性。最大发射功率分为三个等级，100mW(20dBm)，2.5mW(4dBm)，1mW(0dBm)，在4～20dBm范围内要求采用功率控制，因此，蓝牙设备之间的有效通讯距离大约为10～100m。
2.2  TDMA结构
    蓝牙的数据传输率为1Mb/s，采用数据包的形式按时隙传送每时隙0.625μs 。蓝牙系统支持实时的同步定向联接和非实时的异步不定向联接，蓝牙技术支持一个异步数据通道，3个并发的同步语音通道或一个同时传送异步数据和同步语音通道。每一个语音通道支持64KB/S 的同步语音，异步通道支持最大速率为721KB/S，反向应答速度为57.6KB/s的非对称连接，或者是速率为432.6KB/S的对称连接。
2.3  使用跳频技术
    跳频是蓝牙使用的关键技术之一。对应单时隙包，蓝牙的跳频速率为1600跳/秒；对于多时隙包，跳频速率有所降低；但在建链时则提高为3200跳/秒。使用这样高的调频速率，蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力，且硬件设备简单、性能优越。
2.4  蓝牙设备的组网 
蓝牙根据网络的概念提供点对点和点对多点的无线连接，在任意一个有效通讯范围内，所有的设备都是平等的，并且遵循相同的工作方式。基于TDMA原理和蓝牙设备的平等性，任一蓝牙设备在主从网络（Piconet）和分散网络（Scatternet）中，既可作主设备（Master），又可作从设备(Slaver)，还可同时既是主设备（Master），又是从设备(Slaver)。因此在蓝牙系统中没有从站的概念，另外所有的设备都是可移动的，组网十分方便。
2.5  软件的层次结构
    和许多通讯系统一样，蓝牙的通讯协议采用层次式结构，其程序写在一个9mm× 9mm的微芯片中。其底层为各类应用所通用，高层则视具体应用而有所不同，大体分为计算机背景和非计算机背景两种方式，前者通过主机控制接口HCI（Host Control Interface）实现高、低层的连接。后者则不需要HCI。层次结构使其设备具有最大的通用性和灵活性。根据通讯协议，各种蓝牙设备无论在任何地方，都可以通过人工或自动查询来发现其它蓝牙设备，从而构成主从网和分散网，实现系统提供的各种功能，使用起来十分方便。
3  蓝牙系统的功能模块
蓝牙系统的基本功能模块如图1所示。它的功能模块包括天线单元、链路控制器、链路管理、软件功能。
3.1 无线技术规范
    蓝牙天线属于微带天线，蓝牙无线接口是基于常规无线发射功率0dbm设计的，符合美国联通讯委员会（FCC）的ISM频段的规定。扩展频谱技术的应用使得功率可增至100dbm，可满足不同国家的需要。在日本、西班牙、法国，由于当地规定的频段相对较窄，可用内部软件来转换实现。
3.2  基带技术规范
    基带描述了设备的数字信号处理部分，即蓝牙链路控制器，它完成基带协议和其它底层的链路规程。主要包括以下几个方面：
   （1）网络连接的建立。
   （2）链路类型和分组类型。
    链路类型决定了哪种分组模式能在特定的链路上使用，蓝牙基带技术支持两种链路类型：即同步面向连接类型SCO（主要用于语音）和异步非连接类型ACL（主要用于分组数据）。
   （3）纠错
    基带控制器采用3种纠错方式：1/3速率前向纠错编码（FEC）、2/3速率前向纠错编码（FEC）、对数据的自动请求重传（ACL）。
   （4）鉴权和加密
    蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制。鉴权基于"请求一响应"运算法则。鉴权是蓝牙系统中的关键部分，它允许用户为个人的蓝牙设备建立一个信任域，比如只允许主人自己的笔记本电脑通过主人自己的移动电话通信。加密被用来保护连接的个人信息。密钥由程序的高层来管理。网络传送协议和应用程序可以为用户提供一个较强的安全机制。
3.3  链路管理协议
    链路管理（LM）软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。LM能够发现其它远端LM并通过LMP（键路管理协议）与之通信。LM模块提供如下服务：
   （1）发送和接收数据。
   （2）请求名称。
   （3）链路地址查询。
   （4）建立连接。
   （5）鉴权。
   （6）链路模式协商和建立。
   （7）决定帧的类型。
   （8）将设备设为sniff模式。master只能有规律地在特定的时隙发送数据。
   （9）将设备设为hold模式。工作在hold模式的设备为了节能在一个较长的周期内停止接收数据，平均每激活一次链路，这由LM定义，LC（链路控制器）具体操作。
   （10）当设备不需要传送或接收数据但仍需保持同步时将设备设为暂停模式。处于暂停模式的设备周期性地激活并跟踪同步，同时检查page消息。
   （11）建立网络连接。
3.4  软件（协议）单元
    蓝牙基带协议结合电路开关和分组交换机，适用于语音和数据传输。Bluetooth软件构架规范要求与Bluetooth相顺从的设备支持基本水平的互操作性。这种顺从水平由不同的应用来决定。
    蓝牙设备需要支持一些基本互操作特性要求。对某些设备，这种要求涉及到无线模块、空中协议以及应用层协议和对像交换格式。Bluetooth1.0标准由两个文件组成。一个叫FoundationCore，它规定的是设计标准。另一个叫FoundationProfile，它规定的是相互运作性准则。蓝牙设备必须能够彼此识别并装载与之相应的软件以支持设备更高层次的性能。
    蓝牙的软件（协议）单元是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑，软件（协议）结构需有如下功能：
    （1）设置及故障诊断工具；
    （2）能自动识别其它设备；
    （3）取代电缆连接；
    （4）与外设通信；
    （5）音频通信与呼叫控制；
    （6）商用卡的交易与号簿网络协议。
4  蓝牙系统的应用
蓝牙技术广泛应用于各种电话系统、无线电缆、无线公文包、各类数字电子设备、电子商务等领域。
跳线和TDMA等技术的应用使得蓝牙的射频电路较为简单，通讯协议的大部分内容可以用专用集成电路和软件来实现，因此从技术上保证了蓝牙设备的高性能和低成本。
以摩托罗拉蓝牙解决方案为例，摩托罗拉在先进射频技术方面素有经验。摩托罗拉蓝牙解决方案可利用UART、RS-232、USB或SPI连接主处理器，而主处理器可通过这些接口处理蓝牙协议上的堆栈及主控制器的接口等功能；而这个蓝牙解决方案则负责执行下堆栈（主控制器接口、链路管理程序协议、基带及射频）其余的功能。并采用摩托罗拉的MCORETM32位精简指令集运算（SISC）处理器内核，内含一个高度灵活的外围设备集，适用于多种不同的嵌入式蓝牙应用方案。
图2为一个采用摩托罗拉解决方案用于蜂窝式电话的例子。通用异步收发器是连接蜂窝式电话基带处理器与摩托罗拉解决方案的接口，而SSI则为语音通讯提供支持。