为您的设计选择理想的蓝牙协议

介绍

配备无线通信的电子设备使我们摆脱了插头和电缆的纠结。蓝牙无线技术是最流行的协议之一，它使我们能够无线发送和接收数据，因为它的多功能性使其可用于许多应用。例如，车内的蓝牙无线技术让我们可以通过汽车音响在智能手机上播放喜欢的音乐。在家庭内部，智能家居安全系统中的蓝牙无线技术使我们能够用手机锁定和解锁门。我们还利用该协议在平板电脑和计算机之间发送文件，将更新从健身追踪器发送到智能手机等等。

蓝牙无线技术有几种不同的风格。一些应用使用低功耗蓝牙（蓝牙 LE，通常称为 BLE），而其他应用则使用蓝牙基本速率/增强数据速率（蓝牙 BR/EDR）。较新的应用程序甚至有可能使用蓝牙 5.本应用笔记解释了蓝牙 LE 和蓝牙 BR/EDR 之间的差异，蓝牙 5 如何承诺增强这两种协议，以及如何选择最适合您设计的版本。

蓝牙历史

每个蓝牙版本都由管理所有蓝牙协议的蓝牙特别兴趣组 （Bluetooth SIG） 开发。当进行新的开发时， 蓝牙 SIG 发布新规范以引入改进.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、蓝牙 LE 和蓝牙 5 在这些规范范围内的位置。

图2.每个蓝牙规范版本的时间表。

蓝牙 BR/EDR

蓝牙 BR 是第一个开发的蓝牙协议，它实现了一种独特的方法，该方法使用高斯频移键控 （GFSK） 在 2.4GHz ISM 频段内交换数据。选择2.4GHz ISM频段是因为通信是免费的。与大多数频段不同，在此频段内运行不需要许可证。蓝牙 BR 迅速流行起来，因为它提供了一种低成本、低功耗的方式，能够以高达 0.7Mbps 的数据速率在短距离上无线发送和接收数据。

蓝牙 2.0 几年后出现，包括蓝牙 EDR 选项。使用蓝牙 EDR，数据传输速度比蓝牙 BR 快 2 到 3 倍。它使用差分正交相移键控（QDPSK）和差分8级相移键控（8DPSK）以及GFSK。GFSK 每个符号传输 1 位，而 QDPSK 每个符号传输 2 位，8DPSK 每个符号传输 3 位。

蓝牙 LE

蓝牙LE最初是由诺基亚开发的，是一种名为Wibree的无线技术。它的设计功耗非常低，非常适合使用小型电池运行的设备。它还被开发为成本非常低且易于配置。Wibree 包括许多类似于蓝牙 BR/EDR 的技术，包括在 2.4GHz ISM 频段的操作、GFSK 调制、信道方案和跳频。鉴于这些相似之处，蓝牙 SIG 最终将 Wibree 纳入其规范，将其作为称为低功耗蓝牙 （Bluetooth LE） 的新型低功耗扩展发布。

蓝牙 LE 首次出现在蓝牙 4.0 规范中。蓝牙 4.0 并没有完全淘汰蓝牙 BR/EDR，而是除了蓝牙 BR/EDR 之外还提供了蓝牙 LE。具有蓝牙 LE 的消费类设备通常被标记为智能蓝牙，而蓝牙 BR/EDR 则标记为蓝牙经典;但是，不再使用这些术语。根据此规范，无线电可以开发为仅蓝牙 BD/EDR 无线电、仅蓝牙 LE 无线电或同时支持蓝牙 BR/EDR 和蓝牙 LE 的双无线电。

蓝牙 5

蓝牙 SIG 尽最大努力进行与技术发展保持一致的增强功能，因此物联网 （IoT） 正在推动一些变革也就不足为奇了。蓝牙 LE 在不断增长的物联网市场中发挥了重要作用，但蓝牙 SIG 希望进一步增强蓝牙无线技术在物联网应用中的功能。原始蓝牙 LE 技术的新进展在蓝牙 5.0 中发布， 被称为蓝牙 5.

蓝牙 BR/EDR 和蓝牙 LE 有何不同

协议的物理层 （PHY） 是比较蓝牙 BR/EDR 和蓝牙 LE 之间异同的良好起点。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。蓝牙 BR/EDR 和蓝牙 LE 不同的 PHY 的四个方面是信道方案、功耗、延迟和吞吐量。

渠道方案

蓝牙 BR/EDR 和蓝牙 LE 都在 2.4GHz ISM 频段进行通信，但它们的不同之处在于它们划分频带的通道数量。蓝牙 BR/EDR 将频段划分为 79 个间隔 1MHz 的通道。蓝牙 LE 采用更简单的发射器和接收器，因此它将频段划分为仅 40 个间隔 2MHz 的通道。

无论使用多少通道，蓝牙 BR/EDR 和蓝牙 LE 都必须解决干扰问题。2.4GHz ISM频段充满了充分利用免许可频段的发射器。为了尽量减少干扰，蓝牙 BR/EDR 和蓝牙 LE 都采用跳频，其中无线电在一个信道上运行一小段时间，然后跳到另一个信道继续通信。

蓝牙 LE 还为其信道方案添加了另一个元素。蓝牙 LE 为蓝牙 LE 无线电保留三个通道，以宣传它希望被发现。这三个广告信道的频率经过战略性选择，以避免干扰三个最常用的Wi-Fi信道，这些信道也在2.4GHz ISM频段运行。建立连接后，无线电将继续在其他 37 个频道之一上进行通信。图 3 描述了蓝牙 LE 的信道方案，并显示了三个广告信道在频带内的位置。

图3.蓝牙 LE 的信道方案。

权力

节能是蓝牙 BR/EDR 和蓝牙 LE 区别的关键方式。蓝牙 BR/EDR 使用 100mW 的最大输出功率来传输高达 ~10m–100m 的数据。这些规范在大多数设备可以频繁充电的日子里运行良好。然而，随着对可以在不充电的情况下使用电池供电数月或数年的产品的需求增加（由于物联网的影响），这种类型的输出功率将不再足够，因为它会迅速耗尽电池电量。

蓝牙 LE 非常适合这些类型的设备，因为它仅在需要发送或接收数据时打开发射器和接收器来降低能量，最大功率输出仅为 10mW，可传输到相同范围。蓝牙 LE 还以短时间的数据包突发方式发送数据。当数据包未发送时，无线电处于空闲状态，几乎不消耗功率。

延迟

延迟是蓝牙 LE 优于蓝牙 BR/EDR 的另一个领域。蓝牙 BR/EDR 大约需要 100 毫秒才能准备好发送数据。从发射器接收数据到接收器提供数据，还有额外的 100ms 延迟。在某些情况下，这可能会造成相当明显的延迟。它还会导致更高的功耗，因为发送数据所需的额外时间会从电池中消耗更多能量。

蓝牙 LE 提供更低的延迟，只需 3 毫秒即可准备好发送数据。此外，从发射器接收到接收器接收数据之间的延迟仅为6ms。这样可以更快地发送数据，还可以节省电力。

吞吐量

蓝牙 LE 落后于蓝牙 BR/EDR 的地方在于吞吐量。蓝牙 BR/EDR 和蓝牙 LE 都采用 GFSK，因此理论上，吞吐量的最大限制为 1Mbps。但是，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。

在实践中， 蓝牙 BR 可以达到高达 0.7Mbps 的吞吐量， 而蓝牙 EDR 可以实现 2.1Mbps 的吞吐量.这对于流音频等应用程序来说已经足够了。由于蓝牙 LE 以短时间突发发送数据以节省功耗，因此其吞吐量面临额外的限制。它只能实现0.27Mbps的最大吞吐量。虽然此吞吐量对于流式音频来说还不够，但发送不需要不断传输的传感器数据绰绰有余。

表 1.比较表

	蓝牙 BR/EDR	蓝牙 LE
渠道方案	79 通道	40 通道
最大输出功率	100毫瓦	10毫瓦
延迟	100毫秒	6毫秒
发送数据的时间	100毫秒	3毫秒
原始数据速率	1Mbps/2–3Mbps	1兆字节
吞吐量	0.7/2.1Mbps	0.27兆字节
最大范围	~100米	~100米

蓝牙 5 中的吞吐量改进

蓝牙 5 使用原始的低功耗蓝牙 LE 技术，并具有一些新的增强功能。最大的增强功能之一是引入了三个 PHY，可以选择它们来提高最大范围或吞吐量。蓝牙 5 还增加了改善广告的增强功能。

蓝牙 5 提供的第一个 PHY 称为 LE 1M。这与蓝牙 4.2 规范中用于蓝牙 LE 的 PHY 相同，因此其大多数参数将与表 1 中所示的参数匹配。LE 1M 是蓝牙 5 中唯一必需的 PHY。另外两个 PHY 是可选的。

蓝牙 5 集成了 LE 编码的 PHY 作为可选 PHY 之一，以扩展通信范围。编码PHY通过引入冗余以获得一些处理增益来实现更长的范围，而不是增加发射器的功率。此版本还具有一些额外的冗余位，用于确定位的正确值。编码的PHY有两种变体：S=2和S=8。S=2 每比特发送两个符号，这会将吞吐量降低两倍，但理论上会使范围翻倍。S=8 每比特发送 8 个符号。这会将原始吞吐量降低八倍，但范围大约翻了两番。在实践中，实际范围会略低于理论值，但这种方法仍然有助于实现更大的范围。

并非每个应用都依赖于范围，因此蓝牙 5 包含了一些适用于吞吐量比范围更重要的应用。例如，它包括一个名为LE 2M的数据速率选项，可将原始数据速率翻倍至2Mbps。它允许以 1.4Mbps 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，但功耗更低。

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。

表 2.蓝牙 5 的三个 PHY 的重要区别

	LE 1M	LE 编码 S=2	LE 编码 S=8	LE 2M
符号率	1毫秒	1毫秒	1毫秒	2毫秒
原始数据速率	1兆字节	0.5兆字节	0.125兆字节	2毫秒
范围乘数	1 倍	~2 倍	~4 倍	~0.8 倍
蓝牙 5 要求	命令的	自选	自选	自选

在广告方面，蓝牙 5 仍然使用与蓝牙 LE 相同的信道方案，但包括在所有 40 个频道而不是三个频道上额外广告的选项。在蓝牙 5 中，可以在蓝牙 LE 中使用的三个广告通道上传输小广告数据包，但它们现在可以指向可以在额外的 37 个通道上发送的较大广告数据包（最多 255 个八位字节）。这也有助于减少三个主要广告渠道上的内容量。蓝牙 5 还包括广告数据包链、定期广告和较低的最小广告间隔的增强功能。

哪种蓝牙协议最适合您的应用？

PHY 的差异是确定哪种协议最适合每种应用的关键。由于蓝牙 BR/EDR 会影响数据包延迟和功耗以获得更高的吞吐率，因此它非常适合吞吐量是关键规格的应用，例如流式传输或发送大量数据。常见应用包括无线耳机和点对点应用。

蓝牙 LE 最适合只需要发送少量数据的应用，设备可以在其中唤醒、传输所需的数据，然后返回睡眠状态。蓝牙 LE 的低功耗非常适合由小电池供电的设备，例如心率监测器。心率监测器不需要经常发送数据，但它确实需要使用电池长时间运行。随着越来越多的产品联网，我们可能会看到蓝牙LE的许多新应用。

选择支持蓝牙技术的设备时，一个重要的考虑因素是选择支持您计划使用的协议的 IC。您不能随意购买 IC，并假设它同时支持蓝牙 BR/EDR 和蓝牙 LE。如前所述，蓝牙 BR/EDR 和蓝牙 LE 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的应用有益，则支持这两种 PHY。

有望进行广泛改进的蓝牙 5 已开始出现在流行技术中，包括许多流行的智能手机。要为蓝牙 5 做好准备，您需要确保拥有满足关键要求的蓝牙 5 兼容微控制器。MAX32666GWPBT就是一个例子，它具有双Arm-Cortex-M4内核和专用于运行蓝牙堆栈的独立硬件。这样，两个内核就完全可供您的应用程序使用。图5为MAX32666GWPBT主要特性框图。®®

图 5.MAX32666GWPBT框图

另一种选择是MAX32665低功耗Arm Cortex-M4，带有带蓝牙5的浮点单元（FPU）微控制器。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，以最大限度地降低功耗，非常适合电池供电系统。

结论

尽管本应用笔记中讨论的所有技术都属于蓝牙无线技术领域，但它们确实为各种类型的无线电子设备提供了不同的优势和功能。要确定适合您应用的理想版本，请查看表 1 中列出的 PHY 差异，了解每种协议的优势所在。此外，请务必考虑蓝牙 5 将如何在未来几年内以其更高的吞吐量、更长的范围和扩展的广告功能改变行业。

审核编辑：郭婷