蓝牙基带协议原理

蓝牙技术主要原理综述

人们使用的电子设备越来越多，随着电子设备间信息交换的增多，电缆的连接缠绕也变得非常杂乱。为了省去电缆，简化设备间的连接，需要设计一种技术除去“最后”的连接。

1994年，瑞典爱立信公司移动通信部在一项被称为“多通信链路(Multi-Communicator Link)”MC Link的课题研究中，工程师们发现了不经许可就可以使用的低频无线波段，研制了一种小的无线收发器芯片，使用无线电射频技术实现了移动电话与周围器件之间低成本、低功耗的无线互连，他们将这种互连的技术规范命名为蓝牙（Bluetooth）。

一、蓝牙的概念

蓝牙（Bluetooth）技术，实际上是一种短距离无线通信技术。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化这些设备与Internet的通信，使这些现代通信设备与因特网的数据传输变得更加迅速高效。

蓝牙技术具有以下明显的技术特性：能同时传送语音和数据；使用全球通用的频段；低成本、低功耗和低辐射；能应用于各种电子设备；具有网络特性等。

二、蓝牙设备结构

原理是把一块小且功耗低的无线电收发芯片嵌入到传统电子设备中。蓝牙芯片包括无线电收发器和链路控制器(LC)。无线收发器是蓝牙设备的核心，使用的无线电频段在ISM2.4GHZ到2.48GHZ之间。控制连接包括两部分：软件连接——链路管理器(LM)和硬件——链路控制器(LC)。LM执行链路设置、监权、配置；负责连接、建立和拆除链路并进行安全控制。LC实现数据发送和接受。逻辑LC和适应协议具有完成数据拆装、控制服务质量和复用协议的功能，该层协议是其它各层协议实现的基础。图1显示了无线收发器的主要操作和功能。蓝牙链路控制器执行基带通信协议和相关的处理过程。图1也概括了基带的主要功能，负责跳频以及蓝牙数据和信息帧的传输。

三、蓝牙基带层协议体系

1、蓝牙跳频技术

跳频技术是物理信道内的每个时隙上所发送的数据，不断地从一个频道跳到另一个频道。主设备与从设备会根据彼此间相同的跳频序列，从当前频道跳到下一个频道。跳频序列决定于主设备内48位的BD_ADDR（蓝牙设备地址）地址。

2、蓝牙设备地址

蓝牙设备内有一个惟一的48位BD_ADDR(Bluetooth Device Address蓝牙设备地址)地址。这个地址可以说是蓝牙技术的运算核心，几乎所有负责蓝牙系统正常工作的控制参数，如跳频序列、频道访问码、加密密钥都由此地址求得。设备涉及的地址尚有，AM_ADDR(Active Member Address)活动成员地址，PM_ADDR(Parked Member Address)守候成员地址，AR_ADDR(Access Request Address)访问请求地址。

3、蓝牙数据传输类型

蓝牙技术可同时发送语音和数据，因为蓝牙技术支持电路交换和包交换两种数据传输方式。在蓝牙技术标准中电路交换的传输称为SCO链路、包交换的传输称为ACL链路。

SCO链路面向连接的同步传输（Synchronous Connection-Oriented,SCO）链路属于电路交换的同步传输类型。电路交换是指，当主设备与从设备一旦建立连接后，不管有无数据发送，系统都会给主设备与从设备预留固定间隔的时隙，其他从设备则不能利用此连接上的时隙来发送数据。SCO属于点对点的对称连接，即连接建立在一个主设备和一个从设备之间。SCO比较适合语音的传输。

ACL链路无连接的异步传输（Asychronous Connection-Less,ACL）链路属于包交换的异步传输类型。包交换是将高层的数据切割成一段段包进行交换。ACL链路可以占用任意时隙来传输数据，但它只能在SCO链路不使用的时隙上传输。ACL链路适合传输突发性的数据信息，其主设备可以同时和多个从设备建立ACL链路，属于点对多点的非对称连接。

4、蓝牙微微网和散射网

两个蓝牙设备建立连接后，形成了微微网的个人区域。每个微微网有且只有一个主设备，同时有一个或多个从设备，它们可以互相转换角色。每个微微网只能有7个活跃的从设备，因为在Active状态下，主设备分配给每个连接的从设备一个活动的成员地址AM_ADDR，主设备通过这个地址来辨别微微网中不同的从设备。AM_ADDR由3bits组成，所以在一个微微网中最多只能有8个设备。换言之，最多有7个从设备处于活动态。每个微微网最多有255个休眠的从设备。因为从Active状态进入Park状态的蓝牙设备将得到一个PM_ADDR地址，PM_ADDR由8bits组成，所以最多可容纳256个Park状态的蓝牙设备。微微网包含一个共享的信道，其成员通过这个信道进行通信。这个信道由一个明确的跳频序列组成，微微网的成员以同步的方式跟踪跳频序列，跳频序列由主设备来控制。图2就是一个微网的设备连接图。

为了连接8个以上的活跃的设备，必须建立多个微网，然后连接每个微网的主设备，这个联合结构就是散射网。散射网在空间和时间上交叠。一个微网中的从设备可以是多个微网的从设备，也可以是另一个微网的主设备，这样就使微网之间通信成为可能。因为只有79个频点，所以一个散射网最多只有10个微网。图３是三个微网构成的一个散射网的示意图。

5、蓝牙设备的工作状态

蓝牙设备在不同的场合下，有不同的工作状态。工作状态主要有两种：连接状态（Connection State）和等待状态（Standby State）。当与其他设备互相连接时，称为连接状态，此时主设备和从设备使用相同的通道访问码与相同的跳频序列，能够互相通信。当不与其他的设备互相作用时，称等待状态，此时设备以内定的系统时序CLKN运行，消耗的功率非常低。当设备从等待状态进入连接状态前，设备需要进行一连串的信号查询与呼叫程序。进行查询和呼叫的状态称为中间状态。图4显示了三个状态间的切换。

（1）蓝牙设备连接状态：

为了节省功率消耗以及减少对其他用户的干扰，从设备长时间不传输数据，当希望与主从网络中的主设备连接时，从设备可以选择进入不同状态的连接状态。

活动（Active）状态下，从设备基本上一直在监听来自主控设备的发射信号。Active状态下从设备具有AM_ADDR地址以及与主从网络相同的跳频序列。由于Active状态一直在接收分组，并随时准备发送分组，因此这个状态能够提供最快的响应。但是消耗的功率也是最多。

呼吸（Sniff）状态下从设备是周期地被激活。主控设备以一定的时间间隔定期地给从设备发送分组，从设备只需要在这些时间间隔内接收主设备送来的信号，但是从设备仍然保有AM_ADDR及与主从网络相同的跳频序列。与Active相比，Sniff模式消耗功率较低，响应较慢。

保持（Hold）状态下，从设备在一个规定的时间间隔内彻底停止监听分组，这个时间间隔由主设备与从设备内的应用程序共同协议决定，当超过该持续时间后从设备将恢复原来的模式。Hold模式下，从设备将暂时停止支持ACL链路，但是仍支持SCO链路，所以从设备仍然保有AM_ADDR地址及与主从网络有相同的跳频序列。Hold模式下的响应可能比Sniff模式更慢，但可以节省更多的功率。

休眠（Park）状态下，从设备保持与主控设备的跳频序列同步，但不是活动的（处于Active、Sniff和Hold模式的从设备被认为是活动的）。Park模式下从设备将丢弃AM_ADDR地址并从主设备得到PM_ADDR与AR_ADDR地址。在主从网络中Park模式的从设备都有一个特定的PM_ADDR地址，但是AR_ADDR可能与其他的从设备相同。当主设备希望唤醒某个处于Park状态的从设备时，就在广播频道BC上发送从设备的PM_ADDR地址，并同时指定从设备称为Active状态后的AM_ADDR地址。经过广播频道BC，主设备能够同时唤醒多个处于Park状态的从设备。当从设备要从Park状态恢复到Active状态时，也是在广播频道BC上，以AR_ADDR地址向主设备请求，主设备收到后，发送控制信号以唤醒从设备的Park状态。

（2）蓝牙设备中间状态：

当主设备不知道周围是否存在从设备时，就必须以查询状态来得到周围所有从设备的BD_ADDR地址与内部时序，然后进入呼叫状态与从设备互相连接。若主设备已经知道要连接的从设备时，可直接进入呼叫状态与该从设备进行连接。图5给出了主从设备间建立连接的过程。

图中，步骤1-3设备进入查询状态；步骤4-5从设备收到查询信号后，进入查询回应状态，结束后，主设备已经得到从设备响应的FHS包，包括了从设备的BD_ADDR地址、内部时序以及设备种类；步骤6-7主设备进入呼叫状态，与特定的从设备建立连接，但是此时主从设备的时序并没有同步；步骤8-10从设备接收到呼叫信号后进入呼叫回应状态，返回ID包作为响应；步骤10-13主设备收到ID包后进入主设备回应状态，再发送一个FHS包，告知主设备的BD_ADDR地址、连接成员地址等信息，从设备收到后返回一个ID包，主从设备间的连接建立成功，两者都进入连接状态。

总结

蓝牙技术的应用范围相当广泛，目前已经应用到各个领域，如局域网中各类数据及语音设备：PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话和高品质耳机等。蓝牙的无线通讯方式将上述设备连成一个微微网（Piconet），多个微微网之间可以进行互连接，各类设备之间可以随时随地进行通信。

蓝牙的发展不是一个行业的发展，而是多个行业共同的发展，需要各个行业的推进才能有更长远的发展。随着时代的发展，技术的提升，蓝牙技术的发展有着美好的前景，蓝牙将对我们的生活和工作产生重大的影响。

以上就是我们深圳市组创微电子有限公司为您介绍的蓝牙基带协议原理详情。如果您有蓝牙产品设计开发需求，可以放心交给我们，我们有丰富的智能电子产品定制开发经验，可以尽快评估开发周期与IC价格，也可以核算PCBA报价。我们是多家国内外芯片代理商，有MCU、语音IC、BLE蓝牙IC、双模蓝牙模块、wifi模块。我们的拥有硬件设计与软件开发能力。涵盖了电路设计、PCB设计、单片机开发、软件定制开发、APP定制开发、微信公众号开发、语音识别技术、蓝牙开发、wifi技术等。还可以承接智能电子产品研发、家用电器方案设计、美容仪器开发、物联网应用开发、智能家居方案设计、TWS耳机开发、蓝牙耳机音箱开发、儿童玩具方案开发、电子教育产品研发。