蓝牙技术：短距离无线通信技术中的翘楚

　　蓝牙技术是物联网网络层的短距离无线通信技术之一，也是无线数据传输的一种国际标准。利用蓝牙技术，可以在固定设备与固定设备之间、固定设备与移动设备之间、移动设备和移动设备之间建立一个短距离的数据传输网络，以便于这些设备之间交互和共享数据资源。通过蓝牙技术建立的通信网络成本较低，通用性强，适用范围广，它既可以作为一种控制软件的标准，又可以作为一种无线电空中接口；对于企业来说，它可以代替电缆、电线等传统的连接方式，使企业的各种机械设备能在短距离范围内利用无线电波进行连接，实现机械设备之间的数据共享、相互操作、相互控制等工作内容。在日常生产中，特别是电子设备之间都需要蓝牙技术进行连接，一方面利用这种技术连接可节约生产成本，提高生产效率；另一方面也避免了利用传输线连接设备所带来的安全隐患。

　　一个电子设备的蓝牙系统通常包含四个单元，分别是天线、链路控制、链路管理以及软件。这四个单元分别具有以下特点：

　　（1）天线单元

　　一般来说，设备的蓝牙系统都是由集成芯片构成，因此，蓝牙系统的天线单元也应适应电子芯片的大小，体积要小，质量要轻。这也表明蓝牙的天线不能像电视机和雷达的天线那样又大又笨重，它需要的是一种微带天线。蓝牙的空中接口需要遵循ISM频段的标准，它的天线电平为OdBm。

　　除了要遵循FCC有关电平为0dBm的标准，蓝牙系统还要求自身的无线发射功率遵循FCC相关ISM频段的标准。利用扩频技术，蓝牙系统可拥有最高100MW的发射功率，这样大的功率范围可以满足多种电子设备的无线传输要求。从系统跳频上来看，1600/s的跳频数是现代蓝牙技术可达到的最大频数。通常，蓝牙系统所使用的ISM波段的UHF无线电波在2.4GHz～2.485GHz之间，而在2.402GHz～2.480GHz之间存在的1MHz的频点数为79个。利用这种频率范围和频点数量，蓝牙系统可以实现在0.1m～10m之间的无线通信，这一范围内的无线通信可以使工厂中大多数具备蓝牙的机械设备都能与彼此进行良好的通信。如果有特殊的要求，只需要增加蓝牙系统的发射频率，便可扩大无线通信范围，一般可扩大到近百米范围。

　　（2）链路控制单元

　　蓝牙系统的链路控制单元由调谐元件和集成器件构成。其中，谐调原件单独存在，数量有3～5个。集成器件有三种，一种是射频传输/接收器，主要用于接收或传输信号；一种是链路控制器，主要用于处理基带协议（如基带链路控制器）；一种是基带处理器，主要用于处理基带信号。另外，蓝牙系统还具有蓝牙基带协议，这种基带协议包含两种交换内容，分别是电路交换和分组交换。结合这两种交换方式，可以利用时分双工的方式，使机器设备在蓝牙技术的协助下实现信息的全双工传输。

　　（3）链路管理单元

　　链路管理简称LM，属于一种软件模块。该软件模块包含了鉴权、协议、数据设置、链路硬件配置等多方面内容，其特点是，在一定范围内，利用这种链路管理软件模块可以识别并配对其他的链路管理软件模块，还可以利用链路管理协议（LMP）在这两种相同的软件模块之间实现通信。

　　（4）软件功能单元

　　利用蓝牙技术可以让两个机器设备通过相互连接来实现相互操作。这种设备之间的相互操作性可以体现在多种过程之中，比如从无线电兼容模块到应用协议的过程需要利用这种相互操作性，从空中接口到对象交换格式的过程也需要利用这种相互操作性。但也有一些设备对设备间的相互操作性要求较低，比如头戴式设备等。蓝牙技术实现无线通信的目的，一般都离不开蓝牙设备之间的相互操作。作为独立的操作系统，蓝牙的软件系统需满足所制定的蓝牙规范和标准，不能与其他任何操作系统进行定向捆绑。

　　蓝牙系统的基本结构决定了蓝牙技术的工作原理，与计算机一样，蓝牙设备也需要借助芯片来完成自身的工作，这种专用芯片就是蓝牙芯片。蓝牙设备在与其他蓝牙设备连接时，会首先发送一个配对信号，这个以无线电承载的信号一旦在规定的范围内找到另一个蓝牙设备，就会提示操作者是否进行蓝牙配对。配对时，通常会有一个配对密码，以保证配对信息的准确以及数据的安全，操作人员输入正确的密码之后便可实现数据传输和交换。快速的频跳以及段分组技术可以提高蓝牙传输信号对外界环境的抗干扰能力，减少信号的持续衰弱，这样一来，通过蓝牙传输的信号将更加可靠，不会出现丢失数据的情况。1MHz的传输速率可以保证蓝牙通过时分方式进行全双工通信，如果在远距离传输过程中出现了随机噪声，为避免随机噪声的干扰，可以利用前向纠错编码技术予以排除。为降低蓝牙设备的复杂性，通常都会采用频率调制方式进行调制。在语音通信方面，为提高语音的质量，人们利用连续可变斜率编码方式对语音信号进行处理，这种方式的抗衰弱能力较强，可以确保语音音质无损。作为一种全球通用的无限接口和无限通信方式，蓝牙技术所采用的工作频段属于非授权频段，适用于医学检测、科学研究以及工业生产等多种领域。蓝牙技术广泛的适用范围，为实现物联网短距离无限通信创造了有利条件。

　　基带、射频收发器以及协议堆栈是蓝牙技术的三大核心系统，这三大系统可以相互协调，共同作用，支持多种类型的数据传输和设备连接方式，既可以完成点对点的信息传输，又可以完成点对多点的信息传输。蓝牙系统的拓扑网络结构有两种方式，分别是分布式网络（Scatternet）和微微网（Piconet）。微微网是分布式网络的子单元，多个非同步的独立的微微网可以组成一个分布式网络。一般来说，一个微微网中存在多个用户，每个微微网对应一个调频顺序，分布式网络可利用调频顺序来识别不同的微微网。由10个微微网组成的分布式网络，其全双工数据速率可达到6Mbps。作为一种微型网络，微微网依靠蓝牙技术相互连接，可以是一对一方式的连接，也可以是多对多方式的连接，并且这些连接的设备具有相同的级别和权限。微微网中的蓝牙设备具有主设备和从设备的区别，而这是在微微网建立之初就已经决定的。