介紹

配備無(wú)線通信的電子設(shè)備使我們擺脫了插頭和電纜的糾結(jié)。藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)是最流行的協(xié)議之一，它使我們能夠無(wú)線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，因?yàn)樗亩喙δ苄允蛊淇捎糜谠S多應(yīng)用。例如，車內(nèi)的藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)讓我們可以通過(guò)汽車音響在智能手機(jī)上播放喜歡的音樂。在家庭內(nèi)部，智能家居安全系統(tǒng)中的藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)使我們能夠用手機(jī)鎖定和解鎖門。我們還利用該協(xié)議在平板電腦和計(jì)算機(jī)之間發(fā)送文件，將更新從健身追蹤器發(fā)送到智能手機(jī)等等。

藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)有幾種不同的風(fēng)格。一些應(yīng)用使用低功耗藍(lán)牙（藍(lán)牙 LE，通常稱為 BLE），而其他應(yīng)用則使用藍(lán)牙基本速率/增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率（藍(lán)牙 BR/EDR）。較新的應(yīng)用程序甚至有可能使用藍(lán)牙 5.本應(yīng)用筆記解釋了藍(lán)牙 LE 和藍(lán)牙 BR/EDR 之間的差異，藍(lán)牙 5 如何承諾增強(qiáng)這兩種協(xié)議，以及如何選擇最適合您設(shè)計(jì)的版本。

藍(lán)牙歷史

每個(gè)藍(lán)牙版本都由管理所有藍(lán)牙協(xié)議的藍(lán)牙特別興趣組 （Bluetooth SIG） 開發(fā)。當(dāng)進(jìn)行新的開發(fā)時(shí)， 藍(lán)牙 SIG 發(fā)布新規(guī)范以引入改進(jìn).圖 2 中的時(shí)間線顯示了已發(fā)布的藍(lán)牙規(guī)范，以及藍(lán)牙 BR、藍(lán)牙 EDR、藍(lán)牙 LE 和藍(lán)牙 5 在這些規(guī)范范圍內(nèi)的位置。

圖2.每個(gè)藍(lán)牙規(guī)范版本的時(shí)間表。

藍(lán)牙 BR/EDR

藍(lán)牙 BR 是第一個(gè)開發(fā)的藍(lán)牙協(xié)議，它實(shí)現(xiàn)了一種獨(dú)特的方法，該方法使用高斯頻移鍵控 （GFSK） 在 2.4GHz ISM 頻段內(nèi)交換數(shù)據(jù)。選擇2.4GHz ISM頻段是因?yàn)?a href="http://www.www27dydycom.cn/v/tag/1301/" target="_blank">通信是免費(fèi)的。與大多數(shù)頻段不同，在此頻段內(nèi)運(yùn)行不需要許可證。藍(lán)牙 BR 迅速流行起來(lái)，因?yàn)樗峁┝艘环N低成本、低功耗的方式，能夠以高達(dá) 0.7Mbps 的數(shù)據(jù)速率在短距離上無(wú)線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

藍(lán)牙 2.0 幾年后出現(xiàn)，包括藍(lán)牙 EDR 選項(xiàng)。使用藍(lán)牙 EDR，數(shù)據(jù)傳輸速度比藍(lán)牙 BR 快 2 到 3 倍。它使用差分正交相移鍵控（QDPSK）和差分8級(jí)相移鍵控（8DPSK）以及GFSK。GFSK 每個(gè)符號(hào)傳輸 1 位，而 QDPSK 每個(gè)符號(hào)傳輸 2 位，8DPSK 每個(gè)符號(hào)傳輸 3 位。

藍(lán)牙 LE

藍(lán)牙LE最初是由諾基亞開發(fā)的，是一種名為Wibree的無(wú)線技術(shù)。它的設(shè)計(jì)功耗非常低，非常適合使用小型電池運(yùn)行的設(shè)備。它還被開發(fā)為成本非常低且易于配置。Wibree 包括許多類似于藍(lán)牙 BR/EDR 的技術(shù)，包括在 2.4GHz ISM 頻段的操作、GFSK 調(diào)制、信道方案和跳頻。鑒于這些相似之處，藍(lán)牙 SIG 最終將 Wibree 納入其規(guī)范，將其作為稱為低功耗藍(lán)牙 （Bluetooth LE） 的新型低功耗擴(kuò)展發(fā)布。

藍(lán)牙 LE 首次出現(xiàn)在藍(lán)牙 4.0 規(guī)范中。藍(lán)牙 4.0 并沒有完全淘汰藍(lán)牙 BR/EDR，而是除了藍(lán)牙 BR/EDR 之外還提供了藍(lán)牙 LE。具有藍(lán)牙 LE 的消費(fèi)類設(shè)備通常被標(biāo)記為智能藍(lán)牙，而藍(lán)牙 BR/EDR 則標(biāo)記為藍(lán)牙經(jīng)典;但是，不再使用這些術(shù)語(yǔ)。根據(jù)此規(guī)范，無(wú)線電可以開發(fā)為僅藍(lán)牙 BD/EDR 無(wú)線電、僅藍(lán)牙 LE 無(wú)線電或同時(shí)支持藍(lán)牙 BR/EDR 和藍(lán)牙 LE 的雙無(wú)線電。

藍(lán)牙 5

藍(lán)牙 SIG 盡最大努力進(jìn)行與技術(shù)發(fā)展保持一致的增強(qiáng)功能，因此物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 正在推動(dòng)一些變革也就不足為奇了。藍(lán)牙 LE 在不斷增長(zhǎng)的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)中發(fā)揮了重要作用，但藍(lán)牙 SIG 希望進(jìn)一步增強(qiáng)藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的功能。原始藍(lán)牙 LE 技術(shù)的新進(jìn)展在藍(lán)牙 5.0 中發(fā)布， 被稱為藍(lán)牙 5.

藍(lán)牙 BR/EDR 和藍(lán)牙 LE 有何不同

協(xié)議的物理層 （PHY） 是比較藍(lán)牙 BR/EDR 和藍(lán)牙 LE 之間異同的良好起點(diǎn)。PHY包含用于調(diào)制和解調(diào)模擬信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字符號(hào)的電路。藍(lán)牙 BR/EDR 和藍(lán)牙 LE 不同的 PHY 的四個(gè)方面是信道方案、功耗、延遲和吞吐量。

渠道方案

藍(lán)牙 BR/EDR 和藍(lán)牙 LE 都在 2.4GHz ISM 頻段進(jìn)行通信，但它們的不同之處在于它們劃分頻帶的通道數(shù)量。藍(lán)牙 BR/EDR 將頻段劃分為 79 個(gè)間隔 1MHz 的通道。藍(lán)牙 LE 采用更簡(jiǎn)單的發(fā)射器和接收器，因此它將頻段劃分為僅 40 個(gè)間隔 2MHz 的通道。

無(wú)論使用多少通道，藍(lán)牙 BR/EDR 和藍(lán)牙 LE 都必須解決干擾問題。2.4GHz ISM頻段充滿了充分利用免許可頻段的發(fā)射器。為了盡量減少干擾，藍(lán)牙 BR/EDR 和藍(lán)牙 LE 都采用跳頻，其中無(wú)線電在一個(gè)信道上運(yùn)行一小段時(shí)間，然后跳到另一個(gè)信道繼續(xù)通信。

藍(lán)牙 LE 還為其信道方案添加了另一個(gè)元素。藍(lán)牙 LE 為藍(lán)牙 LE 無(wú)線電保留三個(gè)通道，以宣傳它希望被發(fā)現(xiàn)。這三個(gè)廣告信道的頻率經(jīng)過(guò)戰(zhàn)略性選擇，以避免干擾三個(gè)最常用的Wi-Fi信道，這些信道也在2.4GHz ISM頻段運(yùn)行。建立連接后，無(wú)線電將繼續(xù)在其他 37 個(gè)頻道之一上進(jìn)行通信。圖 3 描述了藍(lán)牙 LE 的信道方案，并顯示了三個(gè)廣告信道在頻帶內(nèi)的位置。

圖3.藍(lán)牙 LE 的信道方案。

權(quán)力

節(jié)能是藍(lán)牙 BR/EDR 和藍(lán)牙 LE 區(qū)別的關(guān)鍵方式。藍(lán)牙 BR/EDR 使用 100mW 的最大輸出功率來(lái)傳輸高達(dá) ~10m–100m 的數(shù)據(jù)。這些規(guī)范在大多數(shù)設(shè)備可以頻繁充電的日子里運(yùn)行良好。然而，隨著對(duì)可以在不充電的情況下使用電池供電數(shù)月或數(shù)年的產(chǎn)品的需求增加（由于物聯(lián)網(wǎng)的影響），這種類型的輸出功率將不再足夠，因?yàn)樗鼤?huì)迅速耗盡電池電量。

藍(lán)牙 LE 非常適合這些類型的設(shè)備，因?yàn)樗鼉H在需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)打開發(fā)射器和接收器來(lái)降低能量，最大功率輸出僅為 10mW，可傳輸?shù)较嗤秶?。藍(lán)牙 LE 還以短時(shí)間的數(shù)據(jù)包突發(fā)方式發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)包未發(fā)送時(shí)，無(wú)線電處于空閑狀態(tài)，幾乎不消耗功率。

延遲

延遲是藍(lán)牙 LE 優(yōu)于藍(lán)牙 BR/EDR 的另一個(gè)領(lǐng)域。藍(lán)牙 BR/EDR 大約需要 100 毫秒才能準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)。從發(fā)射器接收數(shù)據(jù)到接收器提供數(shù)據(jù)，還有額外的 100ms 延遲。在某些情況下，這可能會(huì)造成相當(dāng)明顯的延遲。它還會(huì)導(dǎo)致更高的功耗，因?yàn)榘l(fā)送數(shù)據(jù)所需的額外時(shí)間會(huì)從電池中消耗更多能量。

藍(lán)牙 LE 提供更低的延遲，只需 3 毫秒即可準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)。此外，從發(fā)射器接收到接收器接收數(shù)據(jù)之間的延遲僅為6ms。這樣可以更快地發(fā)送數(shù)據(jù)，還可以節(jié)省電力。

吞吐量

藍(lán)牙 LE 落后于藍(lán)牙 BR/EDR 的地方在于吞吐量。藍(lán)牙 BR/EDR 和藍(lán)牙 LE 都采用 GFSK，因此理論上，吞吐量的最大限制為 1Mbps。但是，協(xié)議開銷、無(wú)線電限制和人為軟件限制等因素限制了實(shí)際吞吐量。

在實(shí)踐中， 藍(lán)牙 BR 可以達(dá)到高達(dá) 0.7Mbps 的吞吐量， 而藍(lán)牙 EDR 可以實(shí)現(xiàn) 2.1Mbps 的吞吐量.這對(duì)于流音頻等應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。由于藍(lán)牙 LE 以短時(shí)間突發(fā)發(fā)送數(shù)據(jù)以節(jié)省功耗，因此其吞吐量面臨額外的限制。它只能實(shí)現(xiàn)0.27Mbps的最大吞吐量。雖然此吞吐量對(duì)于流式音頻來(lái)說(shuō)還不夠，但發(fā)送不需要不斷傳輸?shù)?a target="_blank">傳感器數(shù)據(jù)綽綽有余。

表 1.比較表

藍(lán)牙 5 中的吞吐量改進(jìn)

藍(lán)牙 5 使用原始的低功耗藍(lán)牙 LE 技術(shù)，并具有一些新的增強(qiáng)功能。最大的增強(qiáng)功能之一是引入了三個(gè) PHY，可以選擇它們來(lái)提高最大范圍或吞吐量。藍(lán)牙 5 還增加了改善廣告的增強(qiáng)功能。

藍(lán)牙 5 提供的第一個(gè) PHY 稱為 LE 1M。這與藍(lán)牙 4.2 規(guī)范中用于藍(lán)牙 LE 的 PHY 相同，因此其大多數(shù)參數(shù)將與表 1 中所示的參數(shù)匹配。LE 1M 是藍(lán)牙 5 中唯一必需的 PHY。另外兩個(gè) PHY 是可選的。

藍(lán)牙 5 集成了 LE 編碼的 PHY 作為可選 PHY 之一，以擴(kuò)展通信范圍。編碼PHY通過(guò)引入冗余以獲得一些處理增益來(lái)實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的范圍，而不是增加發(fā)射器的功率。此版本還具有一些額外的冗余位，用于確定位的正確值。編碼的PHY有兩種變體：S=2和S=8。S=2 每比特發(fā)送兩個(gè)符號(hào)，這會(huì)將吞吐量降低兩倍，但理論上會(huì)使范圍翻倍。S=8 每比特發(fā)送 8 個(gè)符號(hào)。這會(huì)將原始吞吐量降低八倍，但范圍大約翻了兩番。在實(shí)踐中，實(shí)際范圍會(huì)略低于理論值，但這種方法仍然有助于實(shí)現(xiàn)更大的范圍。

并非每個(gè)應(yīng)用都依賴于范圍，因此藍(lán)牙 5 包含了一些適用于吞吐量比范圍更重要的應(yīng)用。例如，它包括一個(gè)名為L(zhǎng)E 2M的數(shù)據(jù)速率選項(xiàng)，可將原始數(shù)據(jù)速率翻倍至2Mbps。它允許以 1.4Mbps 的最大實(shí)際吞吐量發(fā)送數(shù)據(jù)。這意味著數(shù)據(jù)傳輸速度甚至比藍(lán)牙 BR 更快，但功耗更低。

表 2 比較了藍(lán)牙 5 中可用的三種 PHY，以顯示它們?cè)谠紨?shù)據(jù)速率和范圍方面的差異。

表 2.藍(lán)牙 5 的三個(gè) PHY 的重要區(qū)別

在廣告方面，藍(lán)牙 5 仍然使用與藍(lán)牙 LE 相同的信道方案，但包括在所有 40 個(gè)頻道而不是三個(gè)頻道上額外廣告的選項(xiàng)。在藍(lán)牙 5 中，可以在藍(lán)牙 LE 中使用的三個(gè)廣告通道上傳輸小廣告數(shù)據(jù)包，但它們現(xiàn)在可以指向可以在額外的 37 個(gè)通道上發(fā)送的較大廣告數(shù)據(jù)包（最多 255 個(gè)八位字節(jié)）。這也有助于減少三個(gè)主要廣告渠道上的內(nèi)容量。藍(lán)牙 5 還包括廣告數(shù)據(jù)包鏈、定期廣告和較低的最小廣告間隔的增強(qiáng)功能。

哪種藍(lán)牙協(xié)議最適合您的應(yīng)用？

PHY 的差異是確定哪種協(xié)議最適合每種應(yīng)用的關(guān)鍵。由于藍(lán)牙 BR/EDR 會(huì)影響數(shù)據(jù)包延遲和功耗以獲得更高的吞吐率，因此它非常適合吞吐量是關(guān)鍵規(guī)格的應(yīng)用，例如流式傳輸或發(fā)送大量數(shù)據(jù)。常見應(yīng)用包括無(wú)線耳機(jī)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用。

藍(lán)牙 LE 最適合只需要發(fā)送少量數(shù)據(jù)的應(yīng)用，設(shè)備可以在其中喚醒、傳輸所需的數(shù)據(jù)，然后返回睡眠狀態(tài)。藍(lán)牙 LE 的低功耗非常適合由小電池供電的設(shè)備，例如心率監(jiān)測(cè)器。心率監(jiān)測(cè)器不需要經(jīng)常發(fā)送數(shù)據(jù)，但它確實(shí)需要使用電池長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。隨著越來(lái)越多的產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)，我們可能會(huì)看到藍(lán)牙LE的許多新應(yīng)用。

選擇支持藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備時(shí)，一個(gè)重要的考慮因素是選擇支持您計(jì)劃使用的協(xié)議的 IC。您不能隨意購(gòu)買 IC，并假設(shè)它同時(shí)支持藍(lán)牙 BR/EDR 和藍(lán)牙 LE。如前所述，藍(lán)牙 BR/EDR 和藍(lán)牙 LE 使用不同的 PHY，因此您需要確保您選擇的 IC 支持您計(jì)劃使用的協(xié)議的 PHY，或者如果您認(rèn)為兩者都可能對(duì)您的應(yīng)用有益，則支持這兩種 PHY。

有望進(jìn)行廣泛改進(jìn)的藍(lán)牙 5 已開始出現(xiàn)在流行技術(shù)中，包括許多流行的智能手機(jī)。要為藍(lán)牙 5 做好準(zhǔn)備，您需要確保擁有滿足關(guān)鍵要求的藍(lán)牙 5 兼容微控制器。MAX32666GWPBT就是一個(gè)例子，它具有雙Arm-Cortex-M4內(nèi)核和專用于運(yùn)行藍(lán)牙堆棧的獨(dú)立硬件。這樣，兩個(gè)內(nèi)核就完全可供您的應(yīng)用程序使用。圖5為MAX32666GWPBT主要特性框圖。??

圖 5.MAX32666GWPBT框圖

另一種選擇是MAX32665低功耗Arm Cortex-M4，帶有帶藍(lán)牙5的浮點(diǎn)單元（FPU）微控制器。該微控制器包括電源管理功能，如單電感多輸出 （SIMO） 開關(guān)模式電源和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)，以最大限度地降低功耗，非常適合電池供電系統(tǒng)。

結(jié)論

盡管本應(yīng)用筆記中討論的所有技術(shù)都屬于藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)領(lǐng)域，但它們確實(shí)為各種類型的無(wú)線電子設(shè)備提供了不同的優(yōu)勢(shì)和功能。要確定適合您應(yīng)用的理想版本，請(qǐng)查看表 1 中列出的 PHY 差異，了解每種協(xié)議的優(yōu)勢(shì)所在。此外，請(qǐng)務(wù)必考慮藍(lán)牙 5 將如何在未來(lái)幾年內(nèi)以其更高的吞吐量、更長(zhǎng)的范圍和擴(kuò)展的廣告功能改變行業(yè)。

審核編輯：郭婷