以蓝牙为背景剖析无线通信原理以及协议栈

  基于传统点对点的架构,想要把家庭电脑和键盘、鼠标、耳机、麦克风、以及移动电话等等连接起来,可能还要考虑增加USB插口。

  有没有一种通用的不需要用户干预的简便方法把各种电子设备连接在一起,而又不至于被线缆淹没呢?在WiFi之外,大家已经比较熟悉的“蓝牙”正是这样一种连接技术,它被设计为面向个人和家庭的无线式自动连接,其三大核心特点便是无线、低成本和自动化。

           

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                     图1 蓝牙的无线连接模式

  可是“蓝牙”是怎么实现的上述所说的“连接”的呢?

  下面我们从无线通信开始讲解,然后讲解蓝牙通信协议栈,最后讲解蓝牙低功耗中的广播通信。相信读完下面的介绍,便能理解蓝牙设备间是怎么实现通信的。

一、无线通信

1.1 无线通信原理

  在发射端,发射机将已调制的高频震荡电流通过 “馈电设备” 输入发射天线,发射天线将高频电流转变为 无线电波—***电磁波 向周围空间辐射。

在接收端通过接收天线将无线电波转化成高频电流,再经过馈电设备传输到接收机。

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                        图2 无线信号生成及传输过程

  ***电磁波:是由同向且相互垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波,是以波动的形式传播的电磁场(电磁场是有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体的总称。随时间变化的电场产生磁场,随时间变化的磁场产生电场,两者互为因果,形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子引起,也可由强弱变化的电流引起,不论原因如何,电磁场总是以光 速向四周传播,形成电磁波)

  馈电设备:被控制装置向控制点送电。

  馈电设备可根据高频震荡电流的频率和形式 的不同,直接传输电流波或者电磁波。

  电信号在接收端又是怎么转化成数字信号,供上层处理的呢?

  这就是模数转换(AD),模拟信号是 有强弱变化的 电流, 智能终端里存储不了这种信号。所以要把这种电流的强弱变化通过另一种方式表达。于是就有了AD。它把电流强弱的变化翻译成了二进制代码存储在智能终端,也就是数字信号。 

  同样的,可以通过数模转换(DA)把数字信号转化成模拟电信号,再由天线把电流转化成无线电磁波进行发送。


 1.2 电磁波谱

               

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                         图3 电磁波谱

  无线频谱仅仅是所有电磁波谱的一个子集,例如,我们将频率为428570Ghz的电磁波识别为红色,本文中重点介绍的蓝牙频段范围是2.400-2.4835 GHz。

下表是 无线电 频率频段划分:

      

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                     图4 无线电频率频段划分

  人耳能够听见的音频信号的频率范围大约是20Hz-2OkHz。

1.3 无线通信协议

  无线通信协议是为了完成了通信实体之间的通信而做的一些规则和约定的集合。因为没有实体,不是很好理解,可以类比下交通运输,路需要多宽,限速多少,道路标示怎么画,路两侧怎么防护,红绿灯的规则等等,都可以认为是"交通协议",通信协议与其类似。

二、蓝牙通信协议

  通俗的讲,蓝牙协议栈上层封装下层传输过来的数据并提供接口供上层调用,上层只需使用下层提供的接口,不需要关心下层的具体实现细节。两个蓝牙设备之间每层使用相同的协议进行封装/解封装,最终在蓝牙app层只关心的是传输数据中的有效信息,并不关心如CRC校验信息等。

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