蓝牙技术原理与测试(中文)

蓝牙技术原理与测试蓝牙技术原理与测试 摘要：摘要： ?文前部分详细讲述了蓝牙的射频、基带和协议的关键技术。内容涵盖蓝牙调制方 式、数据包的构成、跳频序列、网络拓扑结构、核心协议以及纠错编码机制。后半部 分核心为蓝牙规范的 23个测试项目。作者对此做了系统规类，对每个测试项从测试目 的、测试设置、测试方法到测试结果进行阐述。文?还对蓝牙的音频测试和生产线测 试做了简单介绍。 罗德与施瓦茨中国有限公司培训中心 I 唐彦波 I 1 引言. - 1 - 2 概述. - 1 - 3 蓝牙应用举例. - 1 - 4 蓝牙关键技术. - 2 - 4.1 蓝牙网络拓扑结构. - 2 - 4.1.1 微微网. - 2 - 4.1.2 散射网. - 2 - 4.2 协议体系. - 3 - 4.2.1 物理硬件部分. - 3 - 4.2.2 核心协议. - 4 - 4.2.3 高层协议. - 4 - 4.3 蓝牙调制方式. - 5 - 4.3.1 GFSK. - 5 - 4.3.2 /4-DQPSK 和 8DPSK. - 6 - 4.4 频率范围和信道. - 7 - 4.5 跳频序列和跳频机制. - 7 - 4.5.1 跳频周期. - 7 - 4.5.2 自适应跳频技术. - 7 - 4.6 蓝牙数据包. - 8 - 4.6.1 蓝牙链路 SCO和 ACL - 8 - 4.6.2 蓝牙前导接入码. - 9 - 4.6.3 蓝牙数据包结构. - 9 - 4.6.3.1 蓝牙单时隙、多时隙结构. - 9 - 4.6.3.2 V1.2 标准数据包结构 - 10 - 4.6.3.3 EDR数据包结构 - 11 - 4.7 蓝牙编址. - 12 - 4.7.1 蓝牙地址. - 12 - 4.7.2 从节点地址. - 13 - 4.8 蓝牙状态. - 13 - 4.8.1 蓝牙待命状态. - 14 - 4.8.2 连接状态. - 14 - 4.8.3 蓝牙状态转换. - 15 - 4.9 蓝牙纠错机制. - 16 - 4.10 蓝牙技术特征总结. - 17 - 4.10.1 蓝牙技术的优势. - 17 - 4.10.2 蓝牙的劣势. - 17 - 4.10.3 蓝牙的技术性能参数(V1.2) - 17 - 5 蓝牙射频测试. - 18 - 5.1 R日?、法国、 西班牙使用23个rR7隔为1 MHz的频道，载频分别2473+kMHz,2454+kMHz,2449+ kMHz (k=0, 1,，22)。信道 由在79个或者23个RF信道中跳变的PN跳变序列识别。 4.5 跳频序列和跳频机制跳频序列和跳频机制 24 GHz的ISM频段中还有80211b，HomeRF及微波炉、无绳电话等电子设备， 为了与这些设备兼容，以及有效利用频谱、防止通信设备之间相互干扰，蓝牙采用 了自适应跳频AFH（Adaptive Frequency Hopping），先?后说LBT（Listen Before Talk）、功率控制等一系列独特的措施克服干扰，避免冲突。 4.5.1 跳频周期跳频周期 每个微微网的跳变序列是唯一的，由主设备的Bluetooth设备地址决定。跳变序列的 相位由主设备的时钟决定。在微微网中，所有单元都在时间上和跳频上与信道同 步。信道 分 为 时隙，每个时隙长625u s 。每个时隙相应地有一个跳频频率，通常 跳频速率为1600跳/秒。时隙数根据微微网中主设备的Bluetooth时钟决定。时隙数从 0到227-1，周期为2“。系统使用TDD方案来使主设备和从设备交替传送，主设备只 在偶数时隙开始传送信息，从设备只在奇数时隙开始传送，信息包的开始对应于时 隙的开始。 4.5.2 自适应跳频技术自适应跳频技术 自适应跳频技术是建立在自动信道质量分析基础上的一种频率自适应和功率自适应 控制相结合的技术。他能使跳频通信过程自动避开被干扰的跳频频点，并以最小的 发射功率、最低的被截获概率，达到在无干扰的跳频信道上长时间保持优质通信的 目的。所谓频率自适应控制是在跳频通信过程中，拒绝使用那些曾经用过但是传输 不成功的跳频频率集中的频点，即实时去除跳频频率集中被干扰的频点，使跳频通 信在无干扰的可使用的频点上进行，从而大大提高跳频通信中接收信号的质量。 蓝牙 AFH 的步骤 由设备识别、信道分类、分类信息交换、自适应跳频 4 部分组成。如图所示。 罗德与施瓦茨中国有限公司培训中心 - 8 -唐彦波 - 8 - 图5 蓝牙AFH的步骤图 ? 设备识别 当一个从设备接入微微网时，在进行通信之前，首先由链路管理协议（LMP） 交换信息，以确定通信双方的设备是否支持AFH模式。LMP信息中包?了二者 通信应使用的最小信道数。主机按LMP协议先询问从设备是否支持AFH，当从 设备回答后，再进行AFH通信。 ? 信道分类 根据某一准则，按传输质量对信道进行分类。按LMP的格式形成一个分类表， 在主设备和从设备之间交换信息后，以此分类表为依据进行自适应跳频。分类 方法采用时分的形式，以保证抗瞬间的干扰。按信道的质量，把信道分成“好” 信道与“坏”信道。可以用以下方法对信道的质量进行评估：首先接收设备对包 损率PLRs（Packet Loss Ratios）、有效载荷的CRC，HEC，FEC误差等参数进行 测量。在测量PLR时，如果PLR超过了系统定义的门限，则宣布此信道为坏信 道。从设备测量CRC时，也会自动检测此包的有效载荷的CRC，如果校验码正 确，则说明接收正确的包，否则宣布包丢失。 ? 信道信息交换 通过LMP命令通知网络中的成员，交换AFH的消息。主设备通过分类，把信道 分为好信道、坏信道、?用信道，然后把信道分类情况通知从设备。同时，从 设备把自己的情况通知主设备。主从设备之间建立联系，确定哪些信道可用， 哪些不可用，为下一步自适应频率的产生做准备 ? 执行AFH 先进行跳频编辑，以选择合适的跳频频率。由于微微网中经常有新的通信建立 或撤消，信道在不断变化，所以必须进行信道维护，周期性地重新对信道进行 估计，及时发现不能用的信道。当微微网中工作设备较少时，还能自动调整功 率，节省能量。 4.6 蓝牙数据包蓝牙数据包 4.6.1 蓝牙链路蓝牙链路 SCO 和和 ACL 蓝牙基带可以处理两种类型的链路：SCO（同步连接）和 ACL（异步无连接）链 路。SCO 链路是微微网中单一主单元和单一从单元之间的一种点对点对称的链 路。主单元采用按照规定间隔预留时隙（电路交换类型）的方式可以维护 SCO 链 路。SCO 链路携带语音信息。主单元可以支持多达三条并发 SCO 链路，而从单元 罗德与施瓦茨中国有限公司培训中心 - 9 -唐彦波 - 9 - 则可以支持两条或者三条 SCO链路。SCO 数据包永不重传。SCO数据包用于 64 kB/s语音传输。 ACL链路是微微网内主单元和全部从单元之间点对多点链路。在没有为 SCO 链 路预留时隙的情况下，主单元可以对任意从单元在每时隙的基础上建立 ACL链 路，其中也包括了从单元已经使用某条 SCO 链路的情况（分组交换类型）。只能 存在一条 ACL链路。对大多数 ACL数据包来说都可以应用数据包重传。 4.6.2 蓝牙前导接入码蓝牙前导接入码 微微网信道内的数据都是通过数据包传输的。通常的数据包格式如下所 示 接入码 72bits 包头 54bits 数据载荷 0-2745bits 图6 蓝牙数据包结构 接入码（Access code）用于时序同步、偏移补偿、寻呼和查询。接入码分为三 类：信道接入码 CAC（Channel Access Code）、设备接入码 DAC（Device Access Code）和查询接入码 IAC（Inquiry Access Code）。信道接入码标识微微网（对微 微网唯一），而 DAC 则用于寻呼及其响应。IAC用于查询。数据包报头包?了数 据包确认、乱序数据包重排的数据包编号、流控、从单元地址和报头错误检查等 信息。数据包的数据部分（payload）可以包?语音字段、数据字段或者两者皆 有。数据包可以占据一个以上的时隙（多时隙数据包），而且可以在下一个时隙 中持续传输。数据部分还可以携带一个 16 位长的 CRC 码用于数据错误检测和错 误纠正。SCO数据包则不包括 CRC。 4.6.3 蓝牙数据包结构蓝牙数据包结构 4.6.3.1 蓝牙单时隙、多时隙结构蓝牙单时隙、多时隙结构 为了实现在同一信道里的主、从通信，蓝牙定义了时分双工(TDD)的工作模式。工作情 况下蓝牙跳频频率为 1600跳/秒，这也说明了在每个跳频点上停留的时间为 625us,这 625us 就被定义为蓝牙的一个时隙，在实际工作中可以分为单、多时隙。工作时隙的选 择根据当前的数据流量以及工作状态下的无线环境。 罗德与施瓦茨中国有限公司培训中心 - 10 -唐彦波 - 10 - 图7 蓝牙时隙结构图 4.6.3.2 V1.2 标准数据包结构标准数据包结构 有 5 种普通类型数据包、4 种 SCO 数据包和 7种 ACL数据包。其简要说明请见下 表。 类型 名称 说明 Common ID 携带设备接入码（DAC）或者查询接入码（IAC）。占据一个时隙。 Common NULL NULL 数据包没有数据，用于获得链路信息和流控。占据一个时隙，无确 认。 Common POLL 无数据和确认。主单元用它检查从单元是否启动。占据一个时隙。 Common FHS 表明蓝牙设备地址和发送方时钟的特殊控制数据包。用于寻呼主单元响 应、查询响应和跳频同步。占据一个时隙。2/3 FEC编码。 Common DM1 支持任何链路中的控制消息。还可以携带规则用户数据，占据一个时隙。 SCO HV1 携带 10 个信息字节。通常用作语音传输。1/3 FEC编码。占据一个时隙。 SCO HV2 携带 20 个消息字节。通常用作语音传输。2/3 FEC编码。占据一个时隙。 SCO HV3 携带 30 个信息字节。通常用作语音传输。无 FEC编码。占据一个时隙。 SCO DV 数据-语音组合数据包。语音字段没有 FEC 保护。数据字段采用 2.3 FEC 编 码。语音字段从不重传，数据字段可以重传。 ACL DM1 携带 18 个消息字节。2/3 FEC编码。占据一个时隙。 ACL DH1 携带 28 个信息字节。无 FEC 编码。占据一个时隙。 f(k 625 f(k+1f(k+2f(k+3f(k+4 f(k+3f(k+4f(k f(k f(k+5 f(k+5 f(k+5f(k+6 f(k+6 f(k+6 罗德与施瓦茨中国有限公司培训中心 - 11 -唐彦波 - 11 - ACL DM3 携带 123 个信息字节。2/3 FEC编码。占据 3 个时隙。 ACL DH3 携带 185 个信息字节。无 FEC编码。占据 3 个时隙。 ACL DM5 携带 226 个信息字节。2/3 FEC编码。占据 5 个时隙。 ACL DH5 携带 341 个信息字节。无 FEC编码。占据 5 个时隙。 ACL AUX1 携带 30 个信息字节。类似 DH1 但没有 CRC 代码。占据 1 个时隙。 图8 V1.2标准蓝牙数据包类型表 4.6.3.3 EDR 数据包结构数据包结构 EDR是蓝牙特别兴趣小组(SIG)开发的一种协议，能使蓝牙无线连接的带宽提高到 3Mbps，v2.0+EDR蓝牙的主要改进，在于它使数据传输速率较传统的蓝牙速率提高 了三倍（3Mbps： 1Mbps）。这就意味着无线单元运行的时间只有原来的三分之 一，因此功耗也只有原来的三分之一。因此可以实现更快速的连接，并可同时支持 多条蓝牙链路，以及实现新的更高带宽的应用，比如音频流。 图9 基?数据包和EDR数据包比较图 数据速率得以提高的部分原因在于数据包传输方式的根?改变。 蓝牙 EDR 数据包仍然采用 GFSK 来调制接入码和数据包头，而对有效载荷