藍牙技術(shù)的基本原理分析

子杰吃大餅 2024-11-16

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藍牙技術(shù)的基本原理分析

楊麗

2023-5-17 15:29:11

1782 藍牙技術(shù) 無線通信感應(yīng)器電磁波

　　引言
藍牙技術(shù)是一種無線通信技術(shù)，它的基本原理是利用2.4GHz的ISM頻段進行短距離無線通信。這種技術(shù)具有低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低干擾等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、無線耳機等領(lǐng)域。
　　可見波與不可見波

　　我們可以拿激光筆來做一個實驗。當我們打開激光筆的開關(guān)時，我們可以看到一束綠色的激光線。這個綠色的激光線就是一種可見光，因為它的波長在400~700納米之間，能夠被人類眼睛看到。
　　但是，如果我們將這束激光筆對準手心，我們就會發(fā)現(xiàn)手心上出現(xiàn)了一些紅色的點。這些紅色的點就是被激光筆發(fā)射出的紅外線反射回來的結(jié)果。紅外線的波長在700納米到1毫米之間，超出了可見光的范圍，因此我們無法直接看到它們。但是，我們可以使用紅外線感應(yīng)器等設(shè)備來檢測紅外線的存在。
　　波長

　　波長是指電磁波中連續(xù)相鄰兩個峰或兩個谷之間的距離。在物理學中，波長通常用希臘字母λ（lambda）表示，單位是米（m）。舉一個簡單的例子來描述波長。我們可以拿一條水波浪作為例子。當我們在水面扔入一個石子，就會產(chǎn)生一圈圈的水波浪。這些水波浪的距離，就是波長。如果我們用一個尺子去測量水波浪的波長，我們會發(fā)現(xiàn)，波長越長，兩個連續(xù)的峰或谷之間的距離就越大。反之，波長越短，兩個連續(xù)的峰或谷之間的距離就越小。
　　同樣的道理也適用于其他類型的波，如電磁波。當我們看到一束光線時，可以想象這束光線是由許多連續(xù)的波峰和波谷構(gòu)成的，波峰和波谷之間的距離就是這束光線的波長。在可見光譜中，不同顏色的光線有不同的波長，例如紅光的波長是約700納米，藍光的波長是約400納米。波長的差異使得不同顏色的光線在我們的眼睛中產(chǎn)生不同的感覺。
　　諧振

　　諧振是指一個物理系統(tǒng)受到外界激勵時，如果激勵頻率與該系統(tǒng)的固有頻率相等或接近相等，就會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。在共振狀態(tài)下，系統(tǒng)能量的轉(zhuǎn)換效率最大，振幅也會最大。
　　例如，我們可以通過擺鐘來觀察諧振現(xiàn)象。擺鐘由重物和擺桿組成，當我們把擺鐘拉到一邊，然后松手放開時，擺鐘會開始擺動，直到最后停下來。這個過程中，重物在擺動時會不斷受到重力的作用，而擺桿則會不斷受到彈性的作用。當激勵頻率與擺鐘的固有頻率相等時，重物和擺桿的振動會達到最大值，這時的擺鐘就處于共振狀態(tài)。在共振狀態(tài)下，擺鐘的振幅會比平時大很多，而擺動的持續(xù)時間也會變長。
　　藍牙工作原理工作頻率
　　從上面的描述來看，藍牙的工作本質(zhì)其實也是一種不可見波的傳遞。如下圖所示，藍牙工作的波長范圍為［120.7mm - 124.9mm］。波長（λ）和頻率（f）之間的轉(zhuǎn)換可以使用公式：波長 = 光速（c）/ 頻率。即：λ = c / f。其中，光速 c 約為 299，792，458 米每秒（m/s）。
　　所以藍牙的工作最高頻率為：f = c / λ = 299，792，458 m/s / （120.7 x 10^-3 m） ≈2.487GHz
　　最低工作頻率為：f = c / λ = 299，792，458 m/s / （124.9 x 10^-3 m） ≈2.40GHz
　　所以，藍牙的工作頻率為［2.4GHz ~ 2.48GHz］。

　　傳播方式
　　前面可知，藍牙之間的傳輸是通過不可見波形式，傳遞信息的。那么這里就有三個疑問了：
　　不可見波有很多，假如有一臺電視僅能接收紅外線設(shè)備。當你的手機通過藍牙向藍牙耳機發(fā)送信息的時候，如何確保手機發(fā)送的信息，僅僅是被藍牙耳機接收？
　　這個很簡單，紅外線使用的頻率是［300GHz-400THz］，而藍牙的頻率是［2.4GHz—2.48GHz］。這兩種波工作處于不同的頻段中。并不會產(chǎn)生共振，而只有藍牙耳機與手機藍牙處于同頻率。所以，并不會出現(xiàn)不同頻率之間產(chǎn)生干擾。
　　藍牙的電磁波如何傳播

　　如上圖，一般理解好像在兩個藍牙設(shè)備相互連接成功以后，電磁波號線就在單一方向上傳播。可實際上藍牙傳輸?shù)拇_是如下圖所示。

　　手機藍牙信號會像一個膨脹的球體一樣向四面八方傳播。
　　藍牙通信技術(shù)中也利用到了諧振原理。藍牙通信中使用的射頻信號是由藍牙發(fā)射器產(chǎn)生的，發(fā)射器中的電路會通過調(diào)諧電容和電感來調(diào)節(jié)信號的頻率，使其能夠與接收器中的天線共振。
　　具體來說，藍牙通信中使用的天線是一種共振天線，其長度約為波長的四分之一。因為當射頻信號的頻率與天線的共振頻率相同時，就會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，使得信號能夠在天線中得到增強，從而能夠更遠距離地傳輸。
　　此外，藍牙通信中也利用到了諧振濾波器，用于過濾信號中的雜波和噪聲。諧振濾波器的工作原理是利用諧振電路的共振現(xiàn)象，只有與其共振頻率相同的信號才能夠通過，其余的信號則被過濾掉。
　　頻分復(fù)用

　　在藍牙通信中，頻分復(fù)用將這些載頻信道分配給不同的設(shè)備。當設(shè)備A與設(shè)備B通信時，它們必須協(xié)商一個共同使用的信道。藍牙設(shè)備使用一種稱為“跳頻”的技術(shù)，在不同的信道之間快速切換，以避免與其他設(shè)備的干擾。跳頻是指設(shè)備在一個時隙內(nèi)使用一個信道，然后在下一個時隙使用另一個信道。這些時隙非常短，通常只有625微秒。
　　在藍牙通信中，頻分復(fù)用將這些載頻信道分配給不同的設(shè)備。當設(shè)備A與設(shè)備B通信時，它們必須協(xié)商一個共同使用的信道。藍牙設(shè)備使用一種稱為“跳頻”的技術(shù)，在不同的信道之間快速切換，以避免與其他設(shè)備的干擾。跳頻是指設(shè)備在一個時隙內(nèi)使用一個信道，然后在下一個時隙使用另一個信道。這些時隙非常短，通常只有625微秒。

　　如上圖，藍牙通信設(shè)備之間都存儲著一個相同的調(diào)頻表，通過對比調(diào)頻表來規(guī)定下一次通信的信道。在跳頻模式下，每個時隙都是從79個載頻信道中選擇一個信道，以避免在通信過程中干擾其他設(shè)備。每個設(shè)備都有一個唯一的地址，這樣它們就可以識別在信道上發(fā)射的信息是否是為自己發(fā)送的。在通信過程中，設(shè)備將使用一組頻道序列來隨機選擇下一個信道，以保證在不同的通信會話中使用不同的信道。藍牙使用頻分復(fù)用技術(shù)將帶寬分成多個載頻信道，并使用跳頻技術(shù)在這些信道之間快速切換，以實現(xiàn)多設(shè)備之間的無線通信。
　　數(shù)據(jù)包

　　訪問地址（Access Address）：用于標識數(shù)據(jù)包是發(fā)送給哪個接收方設(shè)備的。訪問地址是一個32位的隨機數(shù)，由發(fā)送方設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前隨機生成。
　　同步頭（Sync Header）：用于同步發(fā)送方和接收方的時鐘。同步頭是一個固定的8位模式，即10101010，用于在接收方設(shè)備中確定數(shù)據(jù)包的開始位置。
　　數(shù)據(jù)（playload）：最多為 500 字節(jié)，實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
　　時分復(fù)用
　　在藍牙中，TDM被用于將每個時隙進一步分成幾個時間片。每個時間片的長度是625微秒，也就是每個時隙的長度。在TDM中，每個設(shè)備被分配了一定數(shù)量的時間片，這些時間片被用于在信道上傳輸數(shù)據(jù)。
　　TDM的工作方式如下：首先，一個時隙被分成若干個時間片。然后，每個設(shè)備在每個時隙中被分配一定數(shù)量的時間片。設(shè)備可以在這些時間片中發(fā)送數(shù)據(jù)，并且其他設(shè)備則在不同的時間片中發(fā)送它們的數(shù)據(jù)。這種方式可以確保不同的設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸不會發(fā)生沖突，因為每個設(shè)備都有自己的時間片，而且它們不會與其他設(shè)備的時間片重疊。
　　在藍牙中，TDM被用于控制和數(shù)據(jù)通信。對于控制通信，TDM用于傳輸藍牙設(shè)備之間的控制信號和同步信號。這些信號告訴設(shè)備何時開始和結(jié)束通信，以及它們應(yīng)該在何時使用哪些信道。
　　對于數(shù)據(jù)通信，TDM用于在連接的兩個設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)包。當設(shè)備需要發(fā)送數(shù)據(jù)包時，它將使用一個時間片來發(fā)送數(shù)據(jù)包。接收設(shè)備則使用另一個時間片來接收數(shù)據(jù)包。這樣，每個設(shè)備都有足夠的時間來完成發(fā)送或接收操作，而且它們不會互相干擾。
　　頻移鍵控
　　藍牙的頻移鍵控（Frequency Shift Keying，F(xiàn)SK）是一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)，用于將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為藍牙信號。在藍牙通信中，頻移鍵控通常使用Gaussian Frequency Shift Keying（GFSK）技術(shù)。
　　在GFSK技術(shù)中，使用一個高斯濾波器對載波頻率進行平滑處理，以減少誤碼率。使用頻移鍵控技術(shù)時，0和1都可以使用不同的頻率表示。例如，在GFSK技術(shù)中，數(shù)字0通常表示載波頻率下移，數(shù)字1表示載波頻率上移。這意味著，發(fā)送方設(shè)備會將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為藍牙信號，并通過天線將信號發(fā)送到接收方設(shè)備。
　　假設(shè)發(fā)送方設(shè)備要將數(shù)字數(shù)據(jù)“101010”發(fā)送到接收方設(shè)備。在GFSK技術(shù)中，可以使用不同的載波頻率來表示0和1。
　　首先，發(fā)送方設(shè)備選擇一個初始載波頻率。例如，設(shè)定初始載波頻率為2.4 GHz。然后，設(shè)定一個頻率偏移量，表示每個數(shù)字（0或1）將產(chǎn)生的頻率變化。例如，設(shè)定頻率偏移量為20 kHz。使用這個頻率偏移量，可以將數(shù)字0映射到2.38 GHz（2.4 GHz - 20 kHz）的載波頻率，將數(shù)字1映射到2.42 GHz（2.4 GHz + 20 kHz）的載波頻率。
　　使用這種方式，發(fā)送方設(shè)備將數(shù)字數(shù)據(jù)“101010”轉(zhuǎn)換為藍牙信號，并通過天線將信號發(fā)送到接收方設(shè)備。接收方設(shè)備通過檢測載波頻率的變化來解調(diào)數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換回原始數(shù)字形式。
　　藍牙的頻移鍵控技術(shù)是一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)，用于將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為藍牙信號。在GFSK技術(shù)中，使用一個高斯濾波器對載波頻率進行平滑處理，以減少誤碼率。使用頻移鍵控技術(shù)時，0和1都可以使用不同的載波頻率表示。在發(fā)送方設(shè)備中，將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的載波頻率，并通過天線將信號發(fā)送到接收方設(shè)備。在接收方設(shè)備中，通過檢測載波頻率的變化來解調(diào)數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換回原始數(shù)字形式。

原作者：作者:x@x 小嵌同學