蓝牙技术剖析

蓝牙技术剖析


　　很长一段时间以来，无线网络的应用一直是业界关注的热点。甚至有专家预计2001年将是
“无线网络年”。而蓝牙这一“无线新贵”更是引来无数厂商和用户的追捧。到底蓝牙是一种什么
技术？它能给我们的生活带来怎么样的影响？

　　所谓蓝牙(Bluetooth)技术，实际上是一种短距离无线电技术，通俗一点说，就是蓝牙技术使
得现代一些轻易携带的移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上因
特网，其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨
大的无线通信网络。

　　我们以这个专题来介绍一下了蓝牙的由来、原理、组成，和其它几种无线网络技术的区别以及
它的应用领域。

　蓝牙的基本原理

　　蓝牙(Bluetooth)技术是一种短距离无线电技术，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，也能够成功地简化以上这些设备
与因特网Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速
高效，为无线通信拓宽道路。

　　蓝牙技术采用跳频扩展技术（FHSS），跳频速率为每秒1600次。其设备采用的是GFSK调制技
术，其最高传输速率为1Mbps，实际数据有效速率为721Kbps，话音采用连续可变斜率调制CVSD
（ContinuousVariableSlopeDeltaModulation连续可变斜率调制）编码方式，CVSD方式抗干扰
能力很强，即使在误码率达到4％时，仍然有可以接受的话音质量。通信协议则采用TDMA（时分多
址），在2.4GHz的ISM频带上设立79个带宽为1MHz的信道，用每秒钟切换1600次的频率的跳频
(Hobbing)扩展技术来实现信息的收发。蓝牙技术支持一个异步数据通道，或3个并发的同步话音
通道，或一个同时传送异步数据和同步话音的通道。每一个话音通道支持64kbps的同步话音；异
步通道支持最大速率721kbps、反向应答速率为57.6kbps的非对称连接，或者是432.6kbps的对称
连接。

一、什么是蓝牙技术

　　所谓蓝牙(Bluetooth)技术，实际上是一种短距离无线电技术，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
以上这些设备与因特网Internet之间的通信，从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输
变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。说得通俗一点，就是蓝牙技术使得现代一些轻易携带的
移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上因特网，其实际应用范围
还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的无线通信网络。
“蓝牙”技术属于一种短距离、低成本的无线连接技术，是一种能够实现语音和数据无线传输的开
放性方案，因此，目前无线通信的“蓝牙”刚刚露出一点儿芽尖，却已经引起了全球通信业界和广
大用户的密切关注。

二、蓝牙的由来

　　蓝牙以公元10世纪统一丹麦和瑞典的一位斯堪的纳维亚国王的名字命名。它孕育着颇为神奇的
前景：对手机而言，与耳机之间不再需要连线；在个人计算机，主机与键盘、显示器和打印机之间
可以摆脱纷乱的连线；在更大范围内，电冰箱、微波炉和其它家用电器可以与计算机网络的连接，
实现智能化操作。

　　 发明蓝牙技术的是瑞典电信巨人爱立信公司。由于这种技术具有十分可喜的应用前景，1998
年5月，五家世界顶级通信/计算机公司：爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔经过磋商，联合成
立了蓝牙共同利益集团（Bluetooth SIG）, 目的是加速其开发、推广和应用。此项无线通信技术
公布后，便迅速得到了包括摩托罗拉、3Com、朗讯、康柏、西门子等一大批公司的一致拥护，至
今加盟蓝牙SIG的公司已达到2000多个，其中包括许多世界最著名的计算机、通信以及消费电子产
品领域的企业，甚至还有汽车与照相机的制造商和生产厂家。一项公开的技术规范能够得到工业界
如此广泛的关注和支持，这说明基于此项蓝牙技术的产品将具有广阔的应用前景和巨大的潜在市
场。蓝牙共同利益集团现已改称蓝牙推广集团。

三、蓝牙的技术内容

　　蓝牙技术产品是采用低能耗无线电通信技术来实现语音、数据和视频传输的，其传输速率最高
为每秒1Mb/s，以时分方式进行全双工通信，通信距离为10米左右，配置功率放大器可以使通信距
离进一步增加。

　　蓝牙产品采用的是跳频技术，能够抗信号衰落；采用快跳频和短分组技术，能够有效地减少
同频干扰，提高通信的安全性；采用前向纠错编码技术，以便在远距离通信时减少随机噪声的干
扰；采用2.4GHz的ISM (即工业、科学、医学)频段，以省去申请专用许可证的麻烦；采用FM调制
方式，使设备变得更为简单可靠；“蓝牙”技术产品一个跳频频率发送一个同步分组，每组一个分
组占用一个时隙，也可以增至5个时隙；“蓝牙”技术支持一个异步数据通道，或者3个并发的同步
语音通道，或者一个同时传送异步数据和同步语音的通道。“蓝牙”的每一个话音通道支持
64Kbps的同步话音，异步通道支持的最大速率为721Kbps、反向应答速率为57.6Kbps的非对称连
接，或者432.6Kbps的对称连接。

　　蓝牙技术产品与因特网Internet之间的通信，使得家庭和办公室的设备不需要电缆也能够实
现互通互联，大大提高办公和通信效率。因此， “蓝牙”将成为无线通信领域的新宠，将为广大
用户提供极大的方便而受到青睐。

四、蓝牙技术指标和系统参数

　　目前所公布的蓝牙技术参数如表1所示。

表1　　蓝牙技术参数

工作频段 ISM频段，2.402~2.480GHz

双工方式 全双工，TDD时分双工

业务类型 支持电路交换和分组交换业务

数据速率 1Mb/s

非同步信道速率 非对称连接721/57.6kb/s，对称连接432.6kb/s

同步信道速率 64Kb/s

功率 美国FCC要求＜0dbm(1mW)，其他国家可扩展为100mW

跳频频率数 79个频点/MHz

跳频速率 1600次/s

工作模式 PARK/HOLD/SNIFF

数据连接方式 面向连接业务SCO，无连接业务ACL

纠错方式 1/3FEC，2/3FEC，ARQ

鉴权 采用反应逻辑算术

信道加密 采用0位、40位、60位密钥

语音编码方式 连续可变斜率调制CVSD

发射距离 一般可达10~10cm，增加功率情况下可达100m

五、蓝牙技术中的名词术语

　　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。

　　分布式网络（Scatternet）是由多个独立、非同步的微微网形成的。

　　主设备（Master unit）是指在微微网中，如果某台设备的时钟和跳频序列用于同步其他设
备，则称它为主设备。从设备（Slave unit）是指非主设备的设备均为从设备。

　　MAC地址(MAC address)是用3比特表示的地址，用于区分微微网中的设备。休眠设备
（Parked units）在微微网中只参与同步，但没有MAC地址的设备。监听及保持方式（Sniff
and Hold mode）指微微网中从设备的两种低功耗工作方式。

无线网络技术比较

　　无线网络技术日趋火热，以蓝牙，IEEE 802.11等为代表的一批无线网络连接技术正得到日益
普及的应用。 无线网络具有以下优势：

● 支持移动联网。用户可以象使用移动电话那样灵活的移动计算设备的位置，保持持续的网络连
接。

● 不需要使用物理线路，安装非常简便。

● 因为无线网络所使用的高频率无线电波可以穿透墙壁或玻璃窗，所以网络设备可以在有效范围
内任意放置。

● 多层安全防护措施可以充分确保用户隐私。

● 改动网络结构或布局时，不需要对网络进行重新设置。 　　

如今，无线网络技术日趋火热，以蓝牙，IEEE 802.11等为代表的一批无线网络连接技术正得到日
益普及的应用。

　　一般来说，无线网络的有效传输距离在250英尺左右，不需要固定设备的具体位置。

　　无线网络具有以下优势：

● 支持移动联网。用户可以象使用移动电话那样灵活的移动计算设备的位置，保持持续的网络连
接。

● 不需要使用物理线路，安装非常简便。

● 因为无线网络所使用的高频率无线电波可以穿透墙壁或玻璃窗，所以网络设备可以在有效范围
内任意放置。

● 多层安全防护措施可以充分确保用户隐私

● 改动网络结构或布局时，不需要对网络进行重新设置。

　　常见的无线网络接入技术有下面三种：

1、IEEE802.11家族

　　IEEE802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网
中，用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mb/s。目前，3Com
等公司都有基于该标准的无线网卡。

　　由于IEEE802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此，IEEE小组又相继推出了
IEEE802.11b和IEEE802.11a两个新标准。三者之间技术上的主要差别在于MAC子层和物理层。

　　IEEE802.11b物理层支持5.5Mb/s和11Mb/s两个新速率，IEEE802.11标准在扩频时是一个11
位调制芯片，而IEEE802.11b标准采用一种新的调制技术CCK完成。IEEE802.11b使用动态速率漂
移，可因环境变化，在11Mb/s、5.5Mb/s、2Mb/s、1Mb/s之间切换，且在2Mb/s、1Mb/s速率时与
IEEE802.11兼容。

　　IEEE802.11a工作在5GHz U-NII频带，物理层速率可达54Mb/s，传输层达25Mb/s。采用正交
频分复用（OFDM）的独特扩频技术；可提供25Mb/s的无线ATM接口和10Mb/s的以太网无线帧结构
接口，以及TDD/TDMA的空中接口；支持语音、数据、图像业务；一个扇区可接入多个用户，每个
用户可带多个用户终端。但是，芯片没有进入市场、设备昂贵、空中接力不好、点对点连接很不经
济、不适合小型设备。值得庆幸的是，Radiata的低成本COMS无线引擎芯片装置可支持
IEEE802.11a。

2、蓝牙新贵

　　蓝牙（IEEE802.15）是一项最新标准，对于IEEE802.11来说，它的出现不是为了竞争而是相
互补充。蓝牙比IEEE802.11更具移动性，比如，IEEE802.11限制在办公室和校园内，蓝牙能把一
个设备连接到LAN和WAN，甚至支持全球漫游。此外，蓝牙成本低、体积小，可用于更多的设备。
但是，蓝牙主要是点对点的短距离无线发送技术，本质上要么是RF要么是红外线。而且，蓝牙被设
计成低功耗、短距离、低带宽的应用，严格来讲，不算是真正的局域网技术。

3、家庭网络的HomeRF

　　HomeRF主要为家庭网络设计，是IEEE802.11与DECT的结合，旨在降低语音数据成本。HomeRF
也采用了扩频技术，工作在2.4GHz频带，能同步支持4条高质量语音信道。但目前HomeRF的传输速
率只有1~2Mb/s。FCC建议增加到10Mb/s。

　　通过比较分析可以看出，各种标准都是根据不同的使用场合，不同的用户需求而制定的。有的
是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动性和经济性，局部最优不等于全局最优。因此，用
户应视实际需求选择适合自己的标准。

表2 几种无线网络接入技术的比较



IEEE802.11 IEEE802.11b IEEE802.11a Bluetooth HomeRF

频率 2.4GHz 2.4GHz 5GHz 2.4HGz 2.4GHz

带宽 1~2Mb/s 可达11Mb/s 可达54Mb/s 1Mb/s 1~2Mb/s

可增至1Mb/s

距离 100m 100m

功率增加可扩展 5~10km 10~100m 100m

业务 数据 数据/图像 语音/数据/图像 语音/数据 语音/数据

蓝牙技术的应用领域

　　象任何新技术一样，蓝牙必有适合它生长的需要和自身的优势之处，开发它的一些应用功能要
比作其他事情需要更多的时间。从目前的蓝牙产品来看，蓝牙主要应用在这几个方面：

● 蓝牙应用在手机上。

● 蓝牙应用在掌上电脑上。

● 蓝牙应用于其它数字设备，如数字照相机、数字摄象机等。

● 篮牙技术构成的电子钱包和电子锁。

● 篮牙系统嵌入微波炉、洗衣机、电冰箱、空调机等传统家用电器。

1、在手机上的应用

　　嵌入蓝牙技术的数字移动电话将可实现一机三用，真正实现个人通信的功能。应用模式如图
1。在办公室可作为内部的无线集团电话,回家后可当作无绳电话来使用，不必支付昂贵的移动电话
的话费。到室外或乘车的路上,仍作为移动电话与掌上电脑或个人数字助理 PDA结合起来，并通过
嵌入蓝牙技术的局域网接入点,随时随地都可以到因特网上冲浪浏览,那将使我们的数字化生活变得
更加方便和快捷。同时,借助嵌入蓝牙的头戴式话筒和耳机以及话音拨号技术，不用动手就可以接
听或拨打移动电话。

2、在掌上电脑上的应用

　　掌上PC越来越普及，嵌入蓝牙芯片的掌上PC将提供想象不到的便利，蓝牙技术在掌上电脑上
的应用模式如图2;通过掌上PC你不仅可以编写 Email,而且可以立即发送出去,没有外线与 PC连
接,一切都由蓝牙设备来传送。这样,在飞机上用掌上PC写 Email,当飞机着陆后，你只须打开手
机，所有信息可通过机场的蓝牙设备自动发送。有了蓝芽技术,你的掌上PC能够与桌面系统保持同
步。即使是把PC放口袋中，桌面系统的任何变化都可以按预先设置好的更新原则，将变化传到掌上
PC中。回到家中,随身携带的PDA通过蓝牙芯片与家庭设备自动通信，可以为你自动打开门锁、开
灯,并将室内的空调或暖气调到预定的温度等等。进入旅馆可以自动登记，并将你房间的电子钥匙
自动传送到你的 PDA中，从而你可轻轻一按，就可打开你所定的房间。

3、其它数字设备上的应用

　　数字照相机、数字摄象机等设备装上 Bluetooth系统，既可免去使用电线的不使，又可不受
存储器容量的困忧，随时随地可将所摄图片或影象通过同样装备 Bluetooth系统的手机或其它设
备传回指定的计算饥中，蓝牙技术还可以应用于投影机产品，实现投影机的无线连接。

4、篮牙技术构成的电子钱包和电子锁

　　篮牙构成的无线电电子锁比其它非接触式电子锁或IC锁具有更高的安全性和适用性。各种无线
电遥控器(特别是汽车防盗和遥控)比红外线遥控器的功能更强大,在餐馆酒楼用膳时菜单的双向无
线传输或招呼服务员提供指定的服务将更为方便等等。

　　在超市购物时，当你走向收银台时，蓝牙电子钱包会发出一个信号，证明您的信用卡或现金卡
上有足够的余额。因此,您不必掏出钱包便可自动为所购物品付款。然后收银台会向您的电子钱包
发回一个信号，更新您的现金卡余额。利用这种无线电子钱包，可轻松地接入航空公司、饭店、剧
场、零售商店和餐馆的网络，自动办理入住、点菜、购物和电子付帐。

5、篮牙技术在传统家电中的应用

　　蓝牙系统嵌入微波炉、洗衣机、电冰箱、空调机等传统家用电器，使之智能化并具有网络信息
终端的功能，能够主动地发布、获取和处理信息，赋予传统电器以新的内涵。其应用模式如图3。

　　网络微被炉应该能够存储许多微波炉菜谱，同时还应该能够提高通过生产厂家的网络或烹调服
务中心自动下载新菜谱；网络冰箱能够知道自己存储的食品种类、数量和存储日期，可以提醒存储
到期和发出存量不足的警告,甚至自动从网络订购;网络洗衣机可以从网络上获得新的洗衣程序。带
蓝牙的信息家电还能主动向网络提供本身的一些有用信息,如向生产厂家提供有关故障并要求维修
的反馈信息等。蓝牙信息家电是网络上的家电，不再是计算机的外设，它也可以各自为战,提示主
人如何运作。我们可以设想把所有的蓝牙信息家电通过一个遥接器来进行控制。这一个遥控器不但
可以控制电视、计算机、空调器,同时还可以用作无绳电话或者移动电话，甚至可以在这些蓝牙信
息家电之间共享有用的信息，比如把电视节目或者电话语音录制下来存储到电脑中。