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蓝牙技术原理与测试
摘要:
本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。文末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 π/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&S 蓝牙综测仪介绍 ........................................................................................ - 18 -
5.2 R&S 蓝牙射频解决方案 .................................................................................... - 19 -
5.3 蓝牙测试模式..................................................................................................... - 20 -
5.4 单台仪表能完成测试的项目概述..................................................................... - 20 -
5.4.1 V1.2 发射机测试 ........................................................................................ - 21 -
5.4.1.1 TRM/CA/01/C(输出功率 5.1.3) ............................................................. - 22 -
5.4.1.2 TRM/CA/03/C(功率控制 5.1.5) ............................................................. - 24 -
5.4.1.3 TRM/CA/04/C(发射输出频谱–频率范围 5.1.6) ................................... - 25 -
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II 唐彦波
II
5.4.1.4 TRM/CA/05/C(发射输出频谱- 20dB 带宽 5.1.7) ................................. - 26 -
5.4.1.5 TRM/CA/06/C(发射输出频谱- 临信道功率 5.1.8)............................... - 27 -
5.4.1.6 TRM/CA/07/C (调制特性 5.1.9) ............................................................ - 28 -
5.4.1.7 TRM/CA/08/C (初始载波频率容限 5.1.10) .......................................... - 29 -
5.4.1.8 TRM/CA/09/C (载波频率漂移 5.1.11) .................................................. - 30 -
5.4.2 V2.0 EDR 发射机测试 ............................................................................... - 31 -
5.4.2.1 TRM/CA/10/C (EDR 相对发射功率 5.1.12) ......................................... - 31 -
5.4.2.2 TRM/CA/11/C (EDR 载波频率稳定度和调制准确度 5.1.13) ............. - 32 -
5.4.2.3 TRM/CA/12/C (EDR 差分相位编码 5.1.14) ......................................... - 34 -
5.4.2.4 TRM/CA/13/C (EDR 带内杂散辐射 5.1.15) ......................................... - 35 -
5.4.3 V1.2 接收机测试 ........................................................................................ - 36 -
5.4.3.1 RCV/CA/01/C (灵敏度 – 单时隙数据包 5.1.16) .................................. - 36 -
5.4.3.2 RCV/CA/02/C (灵敏度 – 多时隙数据包 5.1.17) .................................. - 38 -
5.4.3.3 RCV/CA/06/C (最大输入电平 5.1.21) .................................................. - 38 -
5.4.4 V2.0 EDR 接收机测试 ............................................................................... - 39 -
5.4.4.1 RCV/CA/07/C (EDR 灵敏度 5.1.22) ..................................................... - 39 -
5.4.4.2 RCV/CA/08/C (EDR BER 平坦性能 5.1.23)......................................... - 40 -
5.4.4.3 RCV/CA/10/C(EDR 最大输入电平 5.1.25) .......................................... - 40 -
5.5 需要加频谱仪或信号源才能完成的项目......................................................... - 41 -
5.5.1 V1.2 发射机测试 ........................................................................................ - 41 -
5.5.1.1 TRM/CA/02/C (功率密度 5.1.4)_ .......................................................... - 41 -
5.5.2 V1.2 接收机测试 ........................................................................................ - 43 -
5.5.2.1 RCV/CA/03/C (C/I 性能 5.1.18) ............................................................ - 43 -
5.5.2.2 RCV/CA/04/C (阻塞特性 5.1.19) .......................................................... - 44 -
5.5.2.3 RCV/CA/05/C (互调特性 5.1.20) .......................................................... - 45 -
5.5.3 V2.0 EDR 接收机测试 .............................................................................. - 46 -
5.5.3.1 RCV/CA/09/C (EDR C/I 性能 5.1.24) ................................................... - 46 -
6 蓝牙音频测试............................................................................................................. - 47 -
6.1 蓝牙耳机测试
..................................................................................................... - 47 -
7 生产测试程序............................................................................................................. - 48 -
7.1 CBTgo 和 CMUgo 介绍 ..................................................................................... - 48 -
7.2 远端控制程序..................................................................................................... - 49 -
8 参考文献..................................................................................................................... - 53 -
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- 1 -唐彦波
- 1 -
1 引言
蓝牙是一种支持设备短距离通信(一般是10m之内)的低功耗、低成本无线电技
术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间
进行无线信息交换。它利用短程无线链路取代专用电缆,不但免去相互之间连接的
麻烦,而且便于人们在室内或户外流动操作。具有广泛的应用前景,正受到全球各
界的广泛关注。新兴的蓝牙技术已从萌芽期进入了壮大发展期,在无线通信、消费
类电子和汽车电子以及工业控制领域得到广泛的应用。
2 概述
“蓝牙”(Bluetooth)原是一位在10世纪统一丹麦的国王,他将当时的瑞典、芬兰与
丹麦统一起来。用他的名字来命名这种新的技术标准,含有将四分五裂的局面统一
起来的意思。蓝牙技术使用高速跳频(FH,Frequency Hopping)和时分多址
(TDMA,Time DivesionMuli—access)等先进技术,在近距离内最廉价地将几台
数字化设备(各种移动设备、固定通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据
系统,如数字照相机、数字摄像机等,甚至各种家用电器、自动化设备)呈网状链
接起来。蓝牙技术将是网络中各种外围设备接口的统一桥梁,它消除了设备之间的
连线,取而代之以无线连接。
蓝牙是一种短距的无线通讯技术,它的标准是IEEE802.15,工作在2.4GHz 频带,
带宽为1Mb/S。电子装置彼此可以透过蓝牙而连接起来,省去了传统的电线。透过
芯片上的无线接收器,配有蓝牙技术的电子产品能够在十公尺的距离内彼此相通,
传输速度可以达到每秒钟1兆字节。以往红外线接口的传输技术需要电子装置在视
线之内的距离,而现在有了蓝牙技术,这样的麻烦也可以免除了。
蓝牙(Bluetooth)是由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚于1998年5月共同提出的
近距离无线数字通信的技术标准。 其目标是实现最高数据传输速度1Mb/s(有效传
输速度为721kb/s)、最大传输距离为10米,用户不必经过申请便可利用2.4GHz的
ISM(工业、科学、医学)频带,在其上设立79个带宽为1MHz的信道,用每秒钟
切换1600次的频率、滚齿方式的频谱扩散技术来实现电波的收发。
3 蓝牙应用举例
蓝牙外设:电脑使用蓝牙鼠标和蓝牙键盘,代替有线鼠标和键盘。蓝牙打印机
的应用也很受欢迎。蓝牙耳机的应用改变了人们接电话的方式
文件传输:可跨越不同软件平台传输文件,越来越多手机不仅拥有彩色显屏,
有和弦铃声,更可以自己上网下载铃声、图片和小游戏来玩。
传真服务:如果您拥有一部蓝牙手机,只要您到运营商开通的数据传真服务 ,
并在电脑上安装例如WINFAX的发传真的软件,然后把数据机指定为
手机端口就可以在电脑上通过蓝牙无线发传真了。
蓝牙网络:组建硬件、软件和互操作需求的一种无固定的中心站蓝牙网络。PPC
与PC在非同步的方式下共享上网。
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- 2 -唐彦波
- 2 -
拨号网络:拨接到调制解调器,以连接到因特网。
语音数据:也就是蓝牙的音频网关的服务,同时蓝牙能提供数据同步、存储功
能。蓝牙U盘和USB适配器等就是在数据领域的典型应用。
汽车电子:蓝牙汽车音响、蓝牙后视镜、蓝牙车载导航、蓝牙汽车防盗系统。
工业控制:通过蓝牙网关进行工业仪表的控制。蓝牙串口模块在现场控制中的
应用。
4 蓝牙关键技术
4.1 蓝牙网络拓扑结构
4.1.1 微微网
微微网(Piconet):是由采用蓝牙技术的设备以特定方式组成的网络。 微微网的建
立是由两台设备(如便携式电脑和蜂窝电话)的连接开始,最多由8台设备构成。
所有的蓝牙设备都是对等的,以同样的方式工作。然而,当一个微微网建立时,只
有一台为主设备,其他均为从设备,而且在一个微微网存在期间将一直维持这一状
况。
图
1
. 蓝牙网络拓扑图
所有的用户都共享同一可以达到的资源(数据速率)。从设备最多只能有 3 个面向
同步的(SCO)连接和一个面向异步的(ACL)连接同时进行。
4.1.2 散射网
散射网络(Scatternet):是由多个独立、非同步的微微网形成的。由多个独立的非
同步的微微网组成的。它靠跳频顺序识别每个微微网。同一微微网所有用户都与这
个跳频顺序同步。一个分布网络中,在带有 10 个全负载的独立的微微网的情况
下,全双工数据速率超过 6Mbit/s。
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