蓝牙协议千千万如何选择最合适?


更新时间: 2019-08-14

  从BLE BR / EDR到BLE再到蓝牙5,蓝牙通信技术经历了多种变化,以满足不同的需求。他们之间到底有什么区别?

  从手机到音箱,从耳机到车载,不同的应用都属于“蓝牙”技术,但蓝牙协议有很多。一些采用蓝牙低功耗(BLE),而其他采用蓝牙基本速率/增强数据速率(蓝牙BR / EDR)。较新的应用程序甚至可能使用蓝牙5。

  大多数人不知道蓝牙BR / EDR和BLE之间的区别,也不知道两者中哪一个最适合他们的特定应用。随着蓝牙5的推出,事情变得更加混乱,这进一步模糊了这些协议之间的界限。本文旨在解释BLE与蓝牙BR / EDR的不同之处以及蓝牙5.0的改进之处。

  为了更好地理解蓝牙BR / EDR和BLE的不同之处,重要的是要参考这个无线技术的演进历史。它们都是由蓝牙特别兴趣小组(Bluetooth SIG)开发的,该小组负责管理所有蓝牙协议。随着开发的进行,Bluetooth SIG发布了一个新规范以引入改进。图2中的时间线显示了已发布的蓝牙规范以及蓝牙BR,蓝牙EDR,BLE和蓝牙5.0。

  蓝牙BR是第一个开发的蓝牙协议。它采用了一种使用高斯频移键控(GFSK)在2.4 GHz ISM频段内交换数据的独特方法。选择此频段是因为2.4GHz是免授权频段,所以蓝牙BR很快就流行开,因为它提供了一种低成本和低功耗的方式,可以在短距离内以高达0.7 Mb / s的速率进行无线收发。

  几年后,发布了新规范Bluetooth 2.0,其中包括蓝牙EDR选项。蓝牙EDR允许数据传输速度比蓝牙BR快两到三倍。这是因为它采用差分正交相移键控(QDPSK)和差分8级相移键控(8DPSK)以及GFSK三种模式。 GFSK每符号发送一位,而QDPSK每符号发送两位,8DPSK每符号发送三位。

  当BLE最初开发时,它实际上根本就不是蓝牙!它是由诺基亚开发的一种名为Wibree的无线技术。它的设计耗电量非常低(并且成本非常低且易于配置),使其成为使用小型电池运行设备的完美解决方案。

  Wibree包括许多类似于蓝牙BR / EDR的技术,包括2.4GHz ISM频段的操作,GFSK调制,信道方案和跳频。两者之间的相似之处使Bluetooth SIG在其规范中采用了Wibree。它被发布为一种名为蓝牙低功耗(BLE)的新型低能耗扩展。BLE首次亮相在蓝牙4.0规范。

  蓝牙4.0没有完全淘汰蓝牙BR / EDR,而是提供蓝牙BR / EDR之外的BLE。具有BLE的消费者设备通常被标记为BLE,而蓝牙BR / EDR被标记为蓝牙经典;但是,这些术语不再用于区分每个协议。根据此规范,可以开发无线电作为蓝牙BD / EDR模式,仅支持BLE的模式或支持蓝牙BR / EDR和BLE的双模产品。

  Bluetooth SIG尽最大努力进行与技术发展相匹配的改进,而推动电子产品的关键进步之一就是物联网(IoT)。 BLE在发展IoT方面发挥了重要作用,Bluetooth SIG希望进一步增强蓝牙在物联网应用中的功能。原始BLE技术的新进展在蓝牙5.0中发布,蓝牙5.0也被称为蓝牙5。

  让我们比较蓝牙BR / EDR和BLE之间的异同。一个好的起点是协议的物理层(PHY)。PHY包含用于调制和解调模拟信号并将其转换为数字符号的电路。PHY的差异是使每个协议适应特定应用的因素之一。BR / EDR和BLE不同的PHY的四个特性包括信道方案,功耗,延迟和吞吐量。

  蓝牙BR / EDR和BLE都在2.4GHz ISM频段内通信,但它们划分频段的信道数不同。蓝牙BR / EDR将频段划分为间隔1 MHz的79个频道。BLE采用更简单的发射器和接收器,因此它将频带划分为间隔2 MHz的40个通道。

  无论使用多少信道,蓝牙BR / EDR和BLE必须处理的一件事是干扰。 2.4-GHz ISM频段充满了发射机,充分利用了免许可频段。为了最小化干扰,蓝牙BR / EDR和BLE都采用跳频,其中无线电在一个信道上工作一段短暂的时间,然后跳到另一个信道继续通信。

  BLE还为其通信方案增加了另一个元素。 BLE留有三个Advertising信道,以广播它自己。策略性地选择这三个Advertising频道的频率,使得它们不会与2.4GHz的WiFi产生干扰。一旦建立连接,无线个频道之一上进行通信。图3描绘了BLE的信道方案,并示出了三个Advertising信道位于频带内的位置。

  功耗是蓝牙BR / EDR和BLE之间的关键区别因素,因为BLE名称中的“低能耗”!蓝牙BR / EDR使用100 mW的最大输出功率来传输大约10到100 m的数据。在大多数设备可以经常充电的日子里,这很好。然而,由于需要能够在没有充电的情况下耗尽电池电量数月或数年的产品的需求增加,这种类型的输出功率将会快速耗尽电池。

  BLE提供完美的解决方案。它只需在发送或接收数据时打开发射器和接收器就可以降低能量,最大功率输出仅为10 mW,可以传输到相同的范围。BLE还以短突发的数据包发送数据,当没有发送数据包时,接收机处于空闲状态,几乎不会消耗电量。

  BLE优于蓝牙BR / EDR的另一个特点是延迟。蓝牙BR / EDR大约需要100 ms才能准备好发送数据。从发射器接收数据到接收器可用数据时,还有100毫秒的延迟。在某些情况下,这会导致相当明显的延迟。它还会导致更高的功耗,因为发送数据所需的额外时间会导致更多的电池消耗。

  BLE提供更低的延迟,只需3 ms即可准备发送数据。此外,从发送器接收数据到接收器可用时的等待时间仅为6 ms。这样可以更快地发送数据并节省电力。

  此时,您可能想知道为什么有人会选择蓝牙BR / EDR而不是BLE,这主要原因是因为蓝牙BR/EDR的吞吐量远大于BLE。蓝牙BR / EDR和BLE都采用GFSK,因此从理论上讲,吞吐量的最大限制是1 Mb / s。但是,诸如协议开销,无线电限制和人为软件限制等因素限制了实际吞吐量。

  实际上,蓝牙BR可以达到高达0.7 Mb / s的吞吐量,而蓝牙EDR可以达到2.1 Mb / s的吞吐量,这足以满足流媒体音频等应用的吞吐量。由于BLE以短脉冲发送数据以节省功率,因此其吞吐量面临额外限制。它只能达到0.27 Mb / s的最大吞吐量。虽然这种吞吐量不足以传输流式音频,但发送常用的传感器数据已经足够了。

  很明显,每种协议的PHY差异都会导致操作参数的很大差异。表1总结了蓝牙BR / EDR和BLE之间的关键参数差别。

  蓝牙5使用低功耗BLE技术,但纳入了一些新的增强功能。最大的增强之一是引入了三种PHY,可以选择这些PHY来改善最大传输范围或吞吐量。蓝牙5还增加了改进Advertising的增强功能。

  蓝牙5提供的第一个PHY称为LE 1M。这与蓝牙4.2规范中用于BLE的PHY相同,因此其大多数参数将与表1中所示的相匹配。LE 1M是蓝牙5中唯一必需的PHY。其他两个PHY是可选的。

  蓝牙5集成了编码PHY作为可选PHY之一,今晚开奖结果,可以扩展通信范围。编码PHY通过引入冗余来获得一些处理增益,而不是依靠增加发送器的功率,从而实现更长的传输范围。

  蓝牙5引入了额外的冗余位,用于确定位的正确值。编码PHY有两种变体:S = 2和S = 8。 S = 2时每比特发送两个符号,这减少2倍吞吐量,但理论上传输范围是此前的两倍。S = 8每位发送8个符号。虽然这会将原始吞吐量降低到125 kb / s,但它的范围大约是其四倍。在实践中,实际范围将略低于理论值,但这种方法仍有助于实现更大的范围。

  范围对于所有终端应用并不重要,因此蓝牙5确保为吞吐量比范围更重要的应用包含一些内容。有一个称为LE 2M的双倍数据速率选项,可将原始数据速率提高到2 Mb / s。它允许以1.4 Mb / s的最大实际吞吐量发送数据。这意味着数据传输速度甚至比蓝牙BR更快,功耗更低,但是传输距离会近一些。

  表2比较了蓝牙5中可用的三种PHY,以显示它们在原始数据速率和范围方面的差异。

  蓝牙5为Advertising提供了很多增强功能,它仍然使用与BLE相同的频道方案,但包括在所有40个频道而不是仅仅三个频道上进行额外Advertising的选项。在蓝牙5中,可以在BLE中使用的三个Advertising信道上发送小的Advertising包。但是,他们现在可以指向可以在其他37个频道上发送的更大的Advertising数据包(最多255个八位字节)。这也有助于减少三个主要Advertising渠道上的内容量。蓝牙5还包括用于Advertising分组链接,周期性Advertising和较低的最小Advertising间隔的增强。

  PHY中的差异是确定哪种协议最适合哪类应用的关键,我们在最后几节中介绍了许多技术细节,可用于更好地理解每种协议的理想用法。

  让我们从蓝牙BR / EDR开始吧。它可以降低数据包延迟和功耗,实现更高的吞吐率,因此最适合吞吐量需求高的应用,这使其成为流式传输或发送大量数据等应用的理想协议。常见的应用是无线)和点对点应用。

  BLE最适合只需要发送少量数据的应用程序,从而可以唤醒设备,传输所需的数据,然后再回到睡眠状态。BLE的低功耗使其成为使用小型电池供电的设备的必备品适合BLE的应用程序是心率监视器。心率监测器不需要经常发送数据,它需要在电池上运行一段时间。随着物联网领域的不断发展,我们可能会看到许多新的BLE应用。

  请务必注意,当您为应用程序选择蓝牙设备时,您需要确保选择支持您计划使用的协议的IC。如前所述,蓝牙BR / EDR和BLE使用不同的PHY,因此您需要确保您选择的IC支持您计划使用的协议的PHY,或者如果您认为两者都可能对您有益,则它需要支持两种PHY应用。

  蓝牙5承诺进行广泛的改进,已开始出现在流行的技术中。许多流行的智能手机已经提供蓝牙5支持。与大多数无线需要花费几年时间才能集成到大多数电子设备中。但是,现在蓝牙5的普及越来越明显了。

  如果您想为蓝牙5做好准备,则需要一个兼容蓝牙5的微控制器来满足关键要求。其中一个例子是Maxim的MAX32666GWPBT,它具有双Arm Cortex-M4内核和专用于运行蓝牙堆栈的独立硬件(图5)。这使得两个核心完全免费用于您的应用程序。另一种选择是MAX32665低功耗Arm Cortex-M4,带浮动单元(FPU)微控制器和蓝牙5。该微控制器包括电源管理功能,如单电感多输出(SIMO)开关模式电源和动态电压调节功能可最大限度地降低功耗,因此非常适合电池供电系统。

  蓝牙BR / EDR适用于最大吞吐量至关重要的应用。它可能消耗大量功率,因此对于需要延长电池寿命的应用来说并不好。它还具有更长的延迟,并且需要更长的时间来设置连接以发送数据。因此,它不适用于传输和接收不常见的短消息的应用程序。非常适合连接汽车音响或设备之间发送文件,这两种应用都需要高吞吐量并且对功率不敏感。

  当需要低功耗且不需要高吞吐量时,使用BLE技术,它可以非常快速地发送数据并具有低延迟。它适用于需要在小型电池上运行很长时间的应用或者不需要经常发送数据的应用中,比如家庭安全系统,如智能门锁和健身追踪器等。

  尽管这些技术都称为蓝牙,但它们确实为无线电子领域提供了不同的优势。要确定哪种协议最适合您的应用,请务必回顾表1中列出的PHY差异,以了解每种协议的优势。此外,请关注蓝牙5如何通过其更高的吞吐量,更长的范围和更广泛的Advertising功能,在未来几年内蓝牙5将改变整个行业。


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