為您的設(shè)計選擇理想的藍牙協(xié)議

介紹

配備無線通信的電子設(shè)備使我們擺脫了插頭和電纜的糾結(jié)。藍牙無線技術(shù)是最流行的協(xié)議之一，它使我們能夠無線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，因為它的多功能性使其可用于許多應(yīng)用。例如，車內(nèi)的藍牙無線技術(shù)讓我們可以通過汽車音響在智能手機上播放喜歡的音樂。在家庭內(nèi)部，智能家居安全系統(tǒng)中的藍牙無線技術(shù)使我們能夠用手機鎖定和解鎖門。我們還利用該協(xié)議在平板電腦和計算機之間發(fā)送文件，將更新從健身追蹤器發(fā)送到智能手機等等。

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

藍牙歷史

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

圖2.每個藍牙規(guī)范版本的時間表。

藍牙 BR/EDR

藍牙 BR 是第一個開發(fā)的藍牙協(xié)議，它實現(xiàn)了一種獨特的方法，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頻段是因為通信是免費的。與大多數(shù)頻段不同，在此頻段內(nèi)運行不需要許可證。藍牙 BR 迅速流行起來，因為它提供了一種低成本、低功耗的方式，能夠以高達 0.7Mbps 的數(shù)據(jù)速率在短距離上無線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

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

藍牙 LE

藍牙LE最初是由諾基亞開發(fā)的，是一種名為Wibree的無線技術(shù)。它的設(shè)計功耗非常低，非常適合使用小型電池運行的設(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，藍牙 SIG 最終將 Wibree 納入其規(guī)范，將其作為稱為低功耗藍牙 （Bluetooth LE） 的新型低功耗擴展發(fā)布。

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

藍牙 5

藍牙 SIG 盡最大努力進行與技術(shù)發(fā)展保持一致的增強功能，因此物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 正在推動一些變革也就不足為奇了。藍牙 LE 在不斷增長的物聯(lián)網(wǎng)市場中發(fā)揮了重要作用，但藍牙 SIG 希望進一步增強藍牙無線技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的功能。原始藍牙 LE 技術(shù)的新進展在藍牙 5.0 中發(fā)布， 被稱為藍牙 5.

藍牙 BR/EDR 和藍牙 LE 有何不同

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

渠道方案

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

無論使用多少通道，藍牙 BR/EDR 和藍牙 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，藍牙 BR/EDR 和藍牙 LE 都采用跳頻，其中無線電在一個信道上運行一小段時間，然后跳到另一個信道繼續(xù)通信。

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

圖3.藍牙 LE 的信道方案。

權(quán)力

節(jié)能是藍牙 BR/EDR 和藍牙 LE 區(qū)別的關(guān)鍵方式。藍牙 BR/EDR 使用 100mW 的最大輸出功率來傳輸高達 ~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行良好。然而，隨著對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，因為它會迅速耗盡電池電量。

藍牙 LE 非常適合這些類型的設(shè)備，因為它僅在需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時打開發(fā)射器和接收器來降低能量，最大功率輸出僅為 10mW，可傳輸?shù)较嗤秶Ｋ{牙 LE 還以短時間的數(shù)據(jù)包突發(fā)方式發(fā)送數(shù)據(jù)。當數(shù)據(jù)包未發(fā)送時，無線電處于空閑狀態(tài)，幾乎不消耗功率。

延遲

延遲是藍牙 LE 優(yōu)于藍牙 BR/EDR 的另一個領(lǐng)域。藍牙 BR/EDR 大約需要 100 毫秒才能準備好發(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，這可能會造成相當明顯的延遲。它還會導致更高的功耗，因為發(fā)送數(shù)據(jù)所需的額外時間會從電池中消耗更多能量。

藍牙 LE 提供更低的延遲，只需 3 毫秒即可準備好發(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

藍牙 LE 落后于藍牙 BR/EDR 的地方在于吞吐量。藍牙 BR/EDR 和藍牙 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、無線電限制和人為軟件限制等因素限制了實際吞吐量。

在實踐中， 藍牙 BR 可以達到高達 0.7Mbps 的吞吐量， 而藍牙 EDR 可以實現(xiàn) 2.1Mbps 的吞吐量.這對于流音頻等應(yīng)用程序來說已經(jīng)足夠了。由于藍牙 LE 以短時間突發(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。它只能實現(xiàn)0.27Mbps的最大吞吐量。雖然此吞吐量對于流式音頻來說還不夠，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

藍牙 5 中的吞吐量改進

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

藍牙 5 提供的第一個 PHY 稱為 LE 1M。這與藍牙 4.2 規(guī)范中用于藍牙 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 是藍牙 5 中唯一必需的 PHY。另外兩個 PHY 是可選的。

藍牙 5 集成了 LE 編碼的 PHY 作為可選 PHY 之一，以擴展通信范圍。編碼PHY通過引入冗余以獲得一些處理增益來實現(xiàn)更長的范圍，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)送兩個符號，這會將吞吐量降低兩倍，但理論上會使范圍翻倍。S=8 每比特發(fā)送 8 個符號。這會將原始吞吐量降低八倍，但范圍大約翻了兩番。在實踐中，實際范圍會略低于理論值，但這種方法仍然有助于實現(xiàn)更大的范圍。

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

表 2 比較了藍牙 5 中可用的三種 PHY，以顯示它們在原始數(shù)據(jù)速率和范圍方面的差異。

表 2.藍牙 5 的三個 PHY 的重要區(qū)別

在廣告方面，藍牙 5 仍然使用與藍牙 LE 相同的信道方案，但包括在所有 40 個頻道而不是三個頻道上額外廣告的選項。在藍牙 5 中，可以在藍牙 LE 中使用的三個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 個通道上發(fā)送的較大廣告數(shù)據(jù)包（最多 255 個八位字節(jié)）。這也有助于減少三個主要廣告渠道上的內(nèi)容量。藍牙 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功能。

哪種藍牙協(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。由于藍牙 BR/EDR 會影響數(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)用包括無線耳機和點對點應(yīng)用。

藍牙 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)測器。心率監(jiān)測器不需要經(jīng)常發(fā)送數(shù)據(jù)，但它確實需要使用電池長時間運行。隨著越來越多的產(chǎn)品聯(lián)網(wǎng)，我們可能會看到藍牙LE的許多新應(yīng)用。

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

有望進行廣泛改進的藍牙 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。要為藍牙 5 做好準備，您需要確保擁有滿足關(guān)鍵要求的藍牙 5 兼容微控制器。MAX32666GWPBT就是一個例子，它具有雙Arm-Cortex-M4內(nèi)核和專用于運行藍牙堆棧的獨立硬件。這樣，兩個內(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，帶有帶藍牙5的浮點單元（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)都屬于藍牙無線技術(shù)領(lǐng)域，但它們確實為各種類型的無線電子設(shè)備提供了不同的優(yōu)勢和功能。要確定適合您應(yīng)用的理想版本，請查看表 1 中列出的 PHY 差異，了解每種協(xié)議的優(yōu)勢所在。此外，請務(wù)必考慮藍牙 5 將如何在未來幾年內(nèi)以其更高的吞吐量、更長的范圍和擴展的廣告功能改變行業(yè)。

審核編輯：郭婷