蓝牙技术的事迹及其现状

2020-05-29 14:40:43 28

智能设备标配的一项功能就是蓝牙(Bluetooth),已经伴随着我们很长一段时间,其技术功能不断革新,使人们的生活和工作得到了更大的便利;今天我们“博古通今”的来看一下蓝牙的事迹。


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蓝牙的进程


蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范,它以低成本的近距离无线连接为基础,为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电技术;可以简化小型设备之间以及这些设备与Internet之间的通信,并且可以延伸到不同的新设备和应用之中,实现近距离范围内的相互作用和相互操作。


在1998年5月,一项新的无线通信技术悄然诞生,这就是蓝牙(Bluetooth),由Ericsson、Nokia、Toshiba、IBM、Intel五大公司联合宣布。这是最早的蓝牙,推出0.7版,支持Baseband与LMP通讯协定两部分。


1999年:这是蓝牙发展历史上的重要一年。在这一年蓝牙技术联盟的前身特别兴趣小组(SIG)成立。在同年蓝牙先后发布了0.8版,0.9版、1.0 Draft版、1.0a版以及1.0B版。值得一提的是,7月26日发布的1.0a版确定使用2.4GHz频谱,最高资料传输速度1MBPs,同时开始了大规模宣传。


2001年:蓝牙1.1为首个正式商用的版本,因是早期设计,容易受到同频率之产品所干扰下影响通讯质量。


2003年:蓝牙1.2推出,为了解决容易受干扰的问题,加上了(改善 Software)抗干扰跳频功能。


2004年:蓝牙2.0推出,它实际上就是1.2版的升级版,传输速率大幅提升的同时,开始支持双工模式——即一面作语音通讯,同时也可以传输数据。从这个版本开始,蓝牙得到了广泛的应用。


2007年:蓝牙2.1发布,对存在的问题进行了改进,包括改善配对流程、降低功耗等。


2009年:蓝牙3.0正式发布,采用了全新的交替射频技术,并取消了UMB应用。


2010年:三位一体的蓝牙4.0发布,包括传统蓝牙、低功耗蓝牙和高速蓝牙技术,这三个规格可以组合或者单独使用。


2013年:蓝牙4.1发布,提升了对LTE和批量数据交换率共存的支持,以及通过允许设备同时支持多重角色帮助开发者实现创新。


2014年:蓝牙4.2发布,不但速度提升2.5倍,隐私性更高,还可以通过IPv6连接网络。


2016年:蓝牙5.0发布,相比蓝牙4.0版本,蓝牙5.0在传输速度提升了两倍,传输距离增加了四倍,数据传输量提升八倍,同时可以与 Wi-Fi 共存,不互相干扰。


2019年:蓝牙5.1发布,新增寻向功能,将蓝牙定位的精准度提升到厘米级,功耗更低、传输更快、距离更远、定位更精准。


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蓝牙技术的特点

(2.4GHZ的ISM频段,刺猬开放、无需申请的频点;

(GFSK,调制指数为0.28-0.35;

(蓝牙设备有两种特定网络方式,即微微网(Piconet)和分布式网络(Scatternet),其中微微网的建立由2台设备连接而开始,上限由8台设备组成;

(理论有效传输距离为300m;

(支持同步定向链接(SCO)和非实时异步不定性链接(ACL),前者传输语音实时性强,后者以数据包为主;

(通过快跳频和短分组技术减少同频干扰,确保传输的可靠性。


蓝牙的系统构成

无线射频单元(Radio):负责数据和语音的发送和接收,拥有短距离、低功耗的特点,柒天线体积小巧,轻便,属于微带天线;

基带和链路控制单元(LinkController):进行射频信号与数字或语音信号的相互转化,实现基带协议和其他底层连接规程;

链路管理单元(LinkManager):负责管理蓝牙设备之间的通信,实现链路的建立、验证、链路配置等操作;

蓝牙软件协议实现:传输协议(底层传输协议、高层传输协议),中介协议,应用协议。


蓝牙通常需要测试的物理层特性

采用时分双工TDD工作方式,主设备在偶数时隙上发射,从设备在奇数时隙上发射,网内部的话音和数据比特通过数据包发射。其物理层特性包括频率、功率、物理层、数据单元和调制特性。其物理层特性包括频率(偏置和漂移)、功率、物理层、数据单元和调制特性。


(工作频率

系统工作于2.4GHz ISM频段:2400-2483.5MHz,采用40个射频信道,这些射频信道的中心频率按2402+k×2MHz(k=0,…,40)规则运行。


(发射功率

系统的输出功率大概在-20dBm(0.01mW)到10dBm(10mW)之间。


 (物理层结构

BLE系统的用于广播信道和数据信道的数据连接层,只有一个数据包格式,下图1所示,每个数据包包含4个域:前导,地址访问,数据PDU及CRC校验。从物理层数据格式可以看出,数据包最短80bit,最长376bit。


(数据信道单元PDU

数据信道单元PDU有16位长的头文件,净荷可变,也可能包括了信息完整性检测域MIC。


(调制特性

蓝牙低功耗采用了调制指数为0.5的GFSK调制,即GMSK调制,频率偏移为250kHz,符号速率达1Mbps。


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蓝牙的现状


现在5G时代已悄然来临,那么在这个大时代中,蓝牙技术的发展是否有影响呢?

在整个系统中,每一项技术都有自己的一席之地,蓝牙与5G,二者的关系是协同、互补,蓝牙的传感器对于信息和数据的一个收集方面。蓝牙的传感器的主要功能之一,就是从远端的更小的一些设备上进行数据的收集,然后传到一个中央的位置,这个位置是由5G技术所赋能的。然后,再由5G技术将剩下的数据传到网络上面,而这个网络就是后端,是由远程的蓝牙传感器网络来进行支持的。


目前,蓝牙技术正不断从个人通信解决方案扩展为面向商业和工业级应用的互联引擎。据《2020年蓝牙市场最新资讯》预测,到2024年,蓝牙设备年出货量将达到62亿美元,2019年至2024年的年复合增长率为8%。“其中有三分之二的蓝牙设备都将来自于非手机、平板和个人电脑,而在2015年这一比例仅占到了33%。这证明了市场上设备的进一步多样化,以及出货量的多样化。


出现这种现象,其因有四:音频传输、数据传输、位置服务以及设备网络;这四核解决方案领域驱动着市场上的创新。随着低功耗音频(LE Audio)的推出,它将为各厂商带来更多商业机遇以及实际用例,低功耗音频规格标准将会带来更大的市场前景,因这个特性,物联网有近四成的设备采用蓝牙技术。


预计到2024年,整个基于蓝牙的数据传输设备年出货量将会达到15亿。其中,蓝牙可穿戴设备出货量将会达到4.11亿,蓝牙互联玩具年出货量将会达到1.2亿,超出传统设备类别定义的8300万互联端点年出货量将达到8300万。



创信测试基于对蓝牙的应用,依据现有测试规范,自主研发蓝牙测试系统,制定针对性的蓝牙设备测试方案。


测试部分内容:


灵敏度:为了检测设备在最小最大输入电平的条件下,是否可以正常工作。测试过程中,要求信号源能提供满足设备要求的最小最大输出电平,直至设备的误码率BER或误包率PER在规范要求的范围以内。


可靠性:输入1毫瓦的功率时耳机所能发出的声压级,灵敏度越高、阻抗越小,耳机越容易出声、越容易驱动。


距离:有效距离内,在有障碍物和无障碍物之间蓝牙信号的传输是否正常。


配对:传输距离内蓝牙设备之间的有效配对。


蓝牙测试拓扑图展示


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蓝牙技术作出全面改进。我们时刻关注并升级其测试测量战略,您的设备将能够利用新标准实现的每一个优势。