蓝牙技术的基本原理分析

通信

　　引言
蓝牙技术是一种无线通信技术，它的基本原理是利用2.4GHz的ISM频段进行短距离无线通信。这种技术具有低功耗、低成本、低复杂度、低干扰等优点，被广泛应用于智能家居、物联网、无线耳机等领域。
　　可见波与不可见波

　　我们可以拿激光笔来做一个实验。当我们打开激光笔的开关时，我们可以看到一束绿色的激光线。这个绿色的激光线就是一种可见光，因为它的波长在400~700纳米之间，能够被人类眼睛看到。
　　但是，如果我们将这束激光笔对准手心，我们就会发现手心上出现了一些红色的点。这些红色的点就是被激光笔发射出的红外线反射回来的结果。红外线的波长在700纳米到1毫米之间，超出了可见光的范围，因此我们无法直接看到它们。但是，我们可以使用红外线感应器等设备来检测红外线的存在。
　　波长

　　波长是指电磁波中连续相邻两个峰或两个谷之间的距离。在物理学中，波长通常用希腊字母λ（lambda）表示，单位是米（m）。举一个简单的例子来描述波长。我们可以拿一条水波浪作为例子。当我们在水面扔入一个石子，就会产生一圈圈的水波浪。这些水波浪的距离，就是波长。如果我们用一个尺子去测量水波浪的波长，我们会发现，波长越长，两个连续的峰或谷之间的距离就越大。反之，波长越短，两个连续的峰或谷之间的距离就越小。
　　同样的道理也适用于其他类型的波，如电磁波。当我们看到一束光线时，可以想象这束光线是由许多连续的波峰和波谷构成的，波峰和波谷之间的距离就是这束光线的波长。在可见光谱中，不同颜色的光线有不同的波长，例如红光的波长是约700纳米，蓝光的波长是约400纳米。波长的差异使得不同颜色的光线在我们的眼睛中产生不同的感觉。
　　谐振

　　谐振是指一个物理系统受到外界激励时，如果激励频率与该系统的固有频率相等或接近相等，就会产生共振现象。在共振状态下，系统能量的转换效率最大，振幅也会最大。
　　例如，我们可以通过摆钟来观察谐振现象。摆钟由重物和摆杆组成，当我们把摆钟拉到一边，然后松手放开时，摆钟会开始摆动，直到最后停下来。这个过程中，重物在摆动时会不断受到重力的作用，而摆杆则会不断受到弹性的作用。当激励频率与摆钟的固有频率相等时，重物和摆杆的振动会达到最大值，这时的摆钟就处于共振状态。在共振状态下，摆钟的振幅会比平时大很多，而摆动的持续时间也会变长。
　　蓝牙工作原理工作频率
　　从上面的描述来看，蓝牙的工作本质其实也是一种不可见波的传递。如下图所示，蓝牙工作的波长范围为［120.7mm - 124.9mm］。波长（λ）和频率（f）之间的转换可以使用公式：波长 = 光速（c）/ 频率。即：λ = c / f。其中，光速 c 约为 299，792，458 米每秒（m/s）。
　　所以蓝牙的工作最高频率为：f = c / λ = 299，792，458 m/s / （120.7 x 10^-3 m） ≈2.487GHz
　　最低工作频率为：f = c / λ = 299，792，458 m/s / （124.9 x 10^-3 m） ≈2.40GHz
　　所以，蓝牙的工作频率为［2.4GHz ~ 2.48GHz］。

　　传播方式
　　前面可知，蓝牙之间的传输是通过不可见波形式，传递信息的。那么这里就有三个疑问了：
　　不可见波有很多，假如有一台电视仅能接收红外线设备。当你的手机通过蓝牙向蓝牙耳机发送信息的时候，如何确保手机发送的信息，仅仅是被蓝牙耳机接收？
　　这个很简单，红外线使用的频率是［300GHz-400THz］，而蓝牙的频率是［2.4GHz—2.48GHz］。这两种波工作处于不同的频段中。并不会产生共振，而只有蓝牙耳机与手机蓝牙处于同频率。所以，并不会出现不同频率之间产生干扰。
　　蓝牙的电磁波如何传播

　　如上图，一般理解好像在两个蓝牙设备相互连接成功以后，电磁波号线就在单一方向上传播。可实际上蓝牙传输的确是如下图所示。

　　手机蓝牙信号会像一个膨胀的球体一样向四面八方传播。
　　蓝牙通信技术中也利用到了谐振原理。蓝牙通信中使用的射频信号是由蓝牙发射器产生的，发射器中的电路会通过调谐电容和电感来调节信号的频率，使其能够与接收器中的天线共振。
　　具体来说，蓝牙通信中使用的天线是一种共振天线，其长度约为波长的四分之一。因为当射频信号的频率与天线的共振频率相同时，就会产生谐振现象，使得信号能够在天线中得到增强，从而能够更远距离地传输。
　　此外，蓝牙通信中也利用到了谐振滤波器，用于过滤信号中的杂波和噪声。谐振滤波器的工作原理是利用谐振电路的共振现象，只有与其共振频率相同的信号才能够通过，其余的信号则被过滤掉。
　　频分复用

　　在蓝牙通信中，频分复用将这些载频信道分配给不同的设备。当设备A与设备B通信时，它们必须协商一个共同使用的信道。蓝牙设备使用一种称为“跳频”的技术，在不同的信道之间快速切换，以避免与其他设备的干扰。跳频是指设备在一个时隙内使用一个信道，然后在下一个时隙使用另一个信道。这些时隙非常短，通常只有625微秒。
　　在蓝牙通信中，频分复用将这些载频信道分配给不同的设备。当设备A与设备B通信时，它们必须协商一个共同使用的信道。蓝牙设备使用一种称为“跳频”的技术，在不同的信道之间快速切换，以避免与其他设备的干扰。跳频是指设备在一个时隙内使用一个信道，然后在下一个时隙使用另一个信道。这些时隙非常短，通常只有625微秒。

　　如上图，蓝牙通信设备之间都存储着一个相同的调频表，通过对比调频表来规定下一次通信的信道。在跳频模式下，每个时隙都是从79个载频信道中选择一个信道，以避免在通信过程中干扰其他设备。每个设备都有一个唯一的地址，这样它们就可以识别在信道上发射的信息是否是为自己发送的。在通信过程中，设备将使用一组频道序列来随机选择下一个信道，以保证在不同的通信会话中使用不同的信道。蓝牙使用频分复用技术将带宽分成多个载频信道，并使用跳频技术在这些信道之间快速切换，以实现多设备之间的无线通信。
　　数据包

　　访问地址（Access Address）：用于标识数据包是发送给哪个接收方设备的。访问地址是一个32位的随机数，由发送方设备在发送数据包之前随机生成。
　　同步头（Sync Header）：用于同步发送方和接收方的时钟。同步头是一个固定的8位模式，即10101010，用于在接收方设备中确定数据包的开始位置。
　　数据（playload）：最多为 500 字节，实际传输的数据。
　　时分复用
　　在蓝牙中，TDM被用于将每个时隙进一步分成几个时间片。每个时间片的长度是625微秒，也就是每个时隙的长度。在TDM中，每个设备被分配了一定数量的时间片，这些时间片被用于在信道上传输数据。
　　TDM的工作方式如下：首先，一个时隙被分成若干个时间片。然后，每个设备在每个时隙中被分配一定数量的时间片。设备可以在这些时间片中发送数据，并且其他设备则在不同的时间片中发送它们的数据。这种方式可以确保不同的设备之间的数据传输不会发生冲突，因为每个设备都有自己的时间片，而且它们不会与其他设备的时间片重叠。
　　在蓝牙中，TDM被用于控制和数据通信。对于控制通信，TDM用于传输蓝牙设备之间的控制信号和同步信号。这些信号告诉设备何时开始和结束通信，以及它们应该在何时使用哪些信道。
　　对于数据通信，TDM用于在连接的两个设备之间传输数据包。当设备需要发送数据包时，它将使用一个时间片来发送数据包。接收设备则使用另一个时间片来接收数据包。这样，每个设备都有足够的时间来完成发送或接收操作，而且它们不会互相干扰。
　　频移键控
　　蓝牙的频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）是一种数字调制技术，用于将数字数据转换为蓝牙信号。在蓝牙通信中，频移键控通常使用Gaussian Frequency Shift Keying（GFSK）技术。
　　在GFSK技术中，使用一个高斯滤波器对载波频率进行平滑处理，以减少误码率。使用频移键控技术时，0和1都可以使用不同的频率表示。例如，在GFSK技术中，数字0通常表示载波频率下移，数字1表示载波频率上移。这意味着，发送方设备会将数字数据转换为蓝牙信号，并通过天线将信号发送到接收方设备。
　　假设发送方设备要将数字数据“101010”发送到接收方设备。在GFSK技术中，可以使用不同的载波频率来表示0和1。
　　首先，发送方设备选择一个初始载波频率。例如，设定初始载波频率为2.4 GHz。然后，设定一个频率偏移量，表示每个数字（0或1）将产生的频率变化。例如，设定频率偏移量为20 kHz。使用这个频率偏移量，可以将数字0映射到2.38 GHz（2.4 GHz - 20 kHz）的载波频率，将数字1映射到2.42 GHz（2.4 GHz + 20 kHz）的载波频率。
　　使用这种方式，发送方设备将数字数据“101010”转换为蓝牙信号，并通过天线将信号发送到接收方设备。接收方设备通过检测载波频率的变化来解调数据，并将其转换回原始数字形式。
　　蓝牙的频移键控技术是一种数字调制技术，用于将数字数据转换为蓝牙信号。在GFSK技术中，使用一个高斯滤波器对载波频率进行平滑处理，以减少误码率。使用频移键控技术时，0和1都可以使用不同的载波频率表示。在发送方设备中，将数字数据转换为相应的载波频率，并通过天线将信号发送到接收方设备。在接收方设备中，通过检测载波频率的变化来解调数据，并将其转换回原始数字形式。

原作者：作者:x@x 小嵌同学

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