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1 篇名 : 作者 : 高仕銓高雄市立高級工業學校資訊二甲

2 壹前言隨著人類經濟活動的活躍, 短距離無線通訊技術. 傳輸系統已漸漸受到重視, 其中手機的藍芽 (Bluetooth) 無線技術以提供低價位低功率消耗但較耗時間, 並可同時提供語音資料傳輸而吸引許多民眾的注意藍芽技術是一種小範圍的無線電頻率技術, 裝置間透過晶片可互相溝通, 不必再透過纜線傳輸目前, 低功率的無線傳輸仍以紅外線為主, 應用的層面仍侷限在行動電話 PDA 電腦及其相關產品上貳正文一藍芽歷史藍牙技術最初由易利信創製技術始於易利信公司的 1994 方案, 它是研究在行動電話和其他配件間進行低功耗低成本無線通信連接的方法發明者希望為設備間的通訊創造一組統一規則 ( 標準化協議 ), 以解決用戶間互不兼容的移動電子設備 1997 年前易利信公司此概念解除了移動設備製造商, 討論其項目合作發展, 結果獲得支持 1998 年項目正式啟動 1999 年 5 月 20 日, 索尼易利信 IBM 英特爾諾基亞及東芝等業界龍頭創立藍牙特別興趣組 (SIG,Special Interest Group), 制訂藍芽技術標準版本推出日期增強功能年 10 月 19 日 Baseband LMP 年 01 月 21 日 HCI L2CAP RFCOMM 年 04 月 30 日 OBEX 與 IrDA 的互通性 1.0Draft 1999 年 07 月 05 日 SDP TCS 1.0A 1999 年 07 月 26 日 1.0B 2000 年 10 月 01 日 WAP 應用上更具互通性年 02 月 22 日 IEEE 年 11 月 05 日列入 IEEE a 年 11 月 09 日 EDR 傳輸率提升至 2-3Mbps 年 07 月 26 日 1

3 二藍芽名字的由來關於藍芽 (Bluetooth) 這個名字, 是個非常有趣的起源 : 在西元十世紀時, 挪威有個維京國王叫做 Harald ( 哈拉德藍芽 ;Blatand 為丹麥文字, 相當英文的 bluetooth) II ( ), 統一了丹麥 (Denmark and Norway), 成為維京人的英雄,Ericsson 將這個新的無線技術介面的 Project 命名為藍牙 (Bluetooth), 應該是希望藉由 Bluetooth 統一介面規格, 成為一個世界標準, 而藍牙譯名變藍芽或許是為了看起來比較配合現代吧! 藍芽組織也希望能在一個規定的標準之下整合所有的無線電子短程通訊產品三射頻與基頻藍芽的最遠傳輸範圍在 10m(0dBm) 到 100m(20dBm) 左右, 用的是每秒 1600 次跳頻展頻技術在資料傳輸上, 藍芽以 ACL(Asynchronous Connection-Less) 的連線方式, 提供最高下傳速度 723.2kbps 及最高上傳速度 57.6kbps 的非對稱性傳輸速率或 433.9kbps 的對稱性傳輸速率在語音部分, 以 SCO(Synchronous Connection-Oriented) 的連線方式, 提供了 64kbps 的傳輸速率四藍芽通訊協定藍芽通訊協定主要分為 Radio Baseband,Link Manager L2CAP HCI 及 Application Framework 等部分, 其中 Radio 主要負責頻率的合成及雜訊過濾,Baseband 主要處理訊息編碼, 碼錯誤重送及跳頻機制等工作, Link Manager 負責有關 Link 的建立釋放, 甚至於保密等工作,L2CAP 主要負責不同通訊協定的多工處理封包的切割及重組及服務品質等 HCI 則提供 Bluetooth 與 Host 間的介面控制, 為一種與硬體無關的標準控制命令至於 Application Framework 部分, 則依據應用所需提供如 TCP/IP HID(Human Interface Device) 及 RFCOMM 等應用程式介面, 其中 RFCOMM 源自於 GSM TS0710, 為一種用來模擬序列埠的標準此外, 藍芽技術還規範了 SDP 通訊協定, 以得到附近其他藍芽裝置的服務等資訊另一方面, 語音則直接架構在 Baseband 上 2

圖 1:Bluetooth Protocol Stack (SIG Version) 五藍芽技術的優劣勢分析由於藍芽技術最初是由易利信諾基亞等擁有超過 40% 市場佔有率的行動電話大廠所發起的, 其目的是在擴大行動電話的應用及提高行動電話的需求與價值現在全球近億台的行動電話使用量與未來可能發展至全球數億台的行動市場的商機, 對廠商而言是極為誘人的同時, 任何電子產品與行動市場配合,

4 圖 1:Bluetooth Protocol Stack (SIG Version) 五藍芽技術的優劣勢分析由於藍芽技術最初是由易利信諾基亞等擁有超過 40% 市場佔有率的行動電話大廠所發起的, 其目的是在擴大行動電話的應用及提高行動電話的需求與價值現在全球近億台的行動電話使用量與未來可能發展至全球數億台的行動市場的商機, 對廠商而言是極為誘人的同時, 任何電子產品與行動市場配合, 則其市場需求量即可能暴增數倍所以不管 IC 業者, 小家電資訊產品乃至工業產品, 莫不爭相研究藍芽規格以期望開發創新產品無線通訊現有的規格有很多種, 以應用環境而言,Home RF 適合於室內短距離的傳輸, 如家庭的個人電腦或 Cordless 電話等家庭無線網路而無線網路若較長距離的應用, 則需使用 IEEE 規格 IEEE b 也稱為 Wi-Fi, 雖然此技術發展時間並不長, 現今卻是無限區域網路的主要標準 IEEE b 大部分應用於連結電算產品和網路, 藍芽技術則提供電腦之間的聯繫, 替代原有的纜線傳輸線或紅外線傳輸現今藍芽傳輸的最遠距離大約只 10 公尺, 而 IEEE b 最遠可達 100 公尺藍芽技術主要在建構一個無線的通訊網路, 雖然參與的廠商與日俱增, 逐漸形成一個炙手可熱的趨勢, 但是仍有其潛在的隱憂, 以下為藍芽的未來的優劣勢分析 : 3

5 1 藍芽技術優勢 : A 晶片成本較低: 對無線通訊裝置使用的晶片而言, 單一晶片 (One Chipset) 為降低成本的主要方法, 相較於 IEEE 及 Hone RF 而言, 將藍芽晶片製成單一晶片的門檻較低原因為藍芽為一種短距離的傳輸技術, 所消耗的電力較小 ( 發信時 20~30mW, 待機時則低於 0.3Mw), 且最低收訊靈敏度, 僅僅 -70dBm, 故單一晶片技術製作較其它系統容易 B 通訊頻帶最一般化 : 藍芽傳輸使用不須額外申請許可的 2.4GHz ISM 頻帶, 故通訊頻帶最一般化, 且在全世界幾乎皆可通, 故較易製造此收發通信模組, 大大地增加藍芽的發展性 2 藍芽技術劣勢 : A 易受其它頻率干擾: 在一般家用電器中, 有些產品的電波頻率與 2.4GHz 相近, 可能會和藍芽的應用產品發生干擾的問題雖然針對此一困難, 藍芽將整個頻寬範圍割成 79 個頻道, 並使用每秒跳躍 1600 次的頻道跳躍技術, 只要某一頻率遇到干擾立刻會切換到另一頻道但是如果無線電波頻率過多, 難保仍會有相互干擾的問題 B 傳輸速度慢: 藍芽為無線通訊的網路傳輸技術, 因此對於建構一個良好的區域網路可能有著速度上的問題藍芽系統的主機最多可連接 7 台從屬裝置, 最高傳輸速度為 712kbps 但事實上可能僅達 200~400kbps, 相對於目前有線環境 (LAN) 下 10/100Mbps 的傳輸速率還有不小的差距如果此些劣勢無法在未來解決, 可能造成藍芽的應用僅僅為短距離的傳輸 4

6 六藍芽近期發展現今市面上販售的商品, 大多是 1.2 版本的制式, 是一個使用低耗電量的無線電設備, 利用一顆低價晶片, 完成短距離 (1 至 100 公尺 ) 的訊號發射與接收藍牙用於在不同的設備之間進行無線連接, 例如連接計算機和外圍設備, 如 : 印表機鍵盤等, 又或讓個人數碼助理 (PDA) 與其它附近的 PDA 或計算機進行通信目前市面上具備藍芽技術的手機選擇非常豐富, 可以連接到計算機 PDA 甚至連接到免提聽筒事實上, 根據已訂立的標準, 藍牙可以支持功能更強的長距離通訊, 用以構成無線區域網每個 Bluetooth 設備可同時維護 7 個連接可以將每個設備配置為不斷向附近的設備聲明其存在以便建立連接另外也可以對二個設備之間的連接進行密碼保護, 以防止被其他設備接收藍牙的標準是 IEEE , 藍牙協議工作在無需許可的 ISM(Industrial Scientific Medical) 頻段的 2.45GHz 最高速度可達 723.1kb/s 為了避免干擾可能使用 2.45GHz 的其它協議, 藍牙協議將該頻段劃分成 79 頻道,( 頻寬為 1MHZ) 每秒的頻道轉換可達 1600 次拿藍牙與 WiFi 相比是不適當的, 因為 WiFi 是一個更加快速的協議, 覆蓋範圍更大雖然兩者使用相同的頻率範圍, 但是 WiFi 需要更加昂貴的硬體藍牙設計被用來在不同的設備之間創建無線連接, 而 WiFi 是個無線區域網協議兩者的目的是不同的七藍芽的應用 1 車用耳機市場, 讓您安心開車無負擔開車族常會在行車中面臨手機來電時的情形, 有時為了辨識來電者而亂了手腳, 更令人擔心的是 : 在行車中接聽來電將會危害駕駛人的行車安全! 藍芽耳機出現後, 隨著價格愈來愈平易近人, 及通話品質的持續改善, 開車族已逐漸將絢麗的藍芽耳機視為標準配備了不但可以在行車時全程不漏接任何來電, 也可顧及自己與他人的行車安全, 更重要的是, 通話仍保有隱私, 讓使用者可以完全享受私密對談! 5

7 2 藍芽 GPS( 全球定位系統 ) 導航接受器, 去到哪都不會是路痴 2005 年通訊手機中的一大突破, 就是除了手機外觀更絢麗之外, 也更加聰明了以往 GPS 導航功能大多是搭配著 PDA 一同使用, 不過隨著愈來愈多內建 WIN CE 作業系統的手機陸續上市, 搭配藍芽 GPS 導航接收器, 利用手機就可以透過藍芽技術來使用 GPS 導航系統, 真正達到走到哪講到哪的行動需求 3 透過藍芽裝置, 藍芽耳機也可以講 Skype 近來隨著網路電話的興起,Skype 軟體成為眾多年輕人與人溝通談天的必需工具不過, 您可能不曉得,Skype 軟體不一定只能用耳機麥克風講話! 今天只要透過藍芽耳機與藍芽接收器 (Doungle), 您就能擺脫掉有線的束縛, 直接以藍芽耳機輕鬆進行無線溝通! 因此, 無論您的 3C 裝置為何, 只要具備藍芽功能, 都有可能讓您的工作及生活環境瞬間變成方便的無線溝通環境! 不但在使用上更加便利, 也可以免除直接面對電磁波危害的風險, 讓您方便之餘也能兼顧健康! 八產品開發問題一旦設計人員理解了產品的上述基本應用需求, 那麼還必須重點關注下面一些問題 : 功率耗散 ( 這關係到電池的壽命 ) 現有產品設計中藍芽電路的物理空間限制 ( 藍芽電路究竟佔用多大的空間 ) 以及傳輸速率限制和需求例如, 大多數藍芽互聯應用的速率都限制在 732.2bps, 這將影響產品的音訊品質下面列出了開發流程中至關重要的五項因素 : 1 模組與晶片組在 PCB 設計中直接採用晶片的好處是能節省控制板空間, 但也僅此而已單獨的晶片或晶片組設計方法需要利用射頻設計資源在發送和接收路徑中提供濾波器放大器調節網路振盪器時脈和天線而且, 該方法還需要大量與設計 6

認證和整合配套的測試設備此外, 除了需要大量的設計時間射頻專業技能和驗證製程外, 這種設計方法還必須獲得藍芽產品使用認證 2 天線大多數藍芽手持設備均需要能以球狀模式發射訊號並連接各個方向的天線良好的天線設計對藍芽產品至關重要, 選擇外部天線的設計必須考慮控制板空間成本和天線模式此外, 附屬元件外殼離地距離等因素也將對天線的終極性能產生重要影響如果選擇不帶天線的模組,

8 認證和整合配套的測試設備此外, 除了需要大量的設計時間射頻專業技能和驗證製程外, 這種設計方法還必須獲得藍芽產品使用認證 2 天線大多數藍芽手持設備均需要能以球狀模式發射訊號並連接各個方向的天線良好的天線設計對藍芽產品至關重要, 選擇外部天線的設計必須考慮控制板空間成本和天線模式此外, 附屬元件外殼離地距離等因素也將對天線的終極性能產生重要影響如果選擇不帶天線的模組, 那麼設計人員必須充分了解產品的使用環境如果無線鏈路同天線之間的饋送不匹配, 那麼訊號將反射回電路, 從而導致嚴重的訊號強度損耗最近, 市場上已經出現整合天線模組如果設計人員選擇的模組帶有整合至控制板的天線, 那麼實際上已經完成了重要的天線調節工作如果選擇不帶天線的模組, 那麼設計人員必須重新調節天線, 而且解決方案必須通過藍芽品質認證委員會 (BQRB) 的認證圖 2: 零歐姆調節電路的回波損耗 ( 第一個方案 ) 和最佳化調節電路的回波損耗 ( 第二個方案 ) 3 天線調節大多數藍芽無線晶片組和模組的前端架構都帶有晶片上發送 / 接收交換結構, 這樣發送和接收路徑都能使用相同的差動埠典型的輸出收發器架構就是綜合了發送與接收的鏈路 7

9 在設計藍芽模組時, 由 L1 和 C1 構成的調節網路可以對 Tx 差動埠和平衡 - 不平衡變壓器 (Balun) 之間的阻抗進行轉換 Balun 可將差動訊號轉換為饋送至帶通濾波器及天線埠的單端訊號濾波與 L2/C2 網路的結合可以防止射頻訊號干擾電路訊號通路中的低通濾波器還能為 Tx 訊號提供輔助濾波並抑制 Rx 通路中的干擾屏蔽有助於減少內部和外部干擾, 從而使模組和其他射頻敏感元件不受影響此外, 還需要考慮射頻耦合因素, 因此必須嚴密地規劃元件在 PCB 上的佈局例如, 在測量帶有天線的藍芽元件的射頻性能時, 可以考慮以下兩個設計方案第一個方案利用零歐姆的調節網路測量天線的初始狀態, 第二個方案則利用優化的調節網路增強天線的性能在上述兩個方案中, 都需要進行包括 3D 發射模式回波損耗和天線效率在內的測量本文的分析中, 將主要考慮回波損耗和天線效率因素上述示例中, 初始天線測量表明, 天線偏離了 2.45GHz 的中心頻率, 因此需要調節元件結果顯示, 如果採用優化的調節網路, 可以實現 44% 的天線效率 ( 在峰值點 2.45GHz) 第一個方案的回波損耗介於 -2.9 至 -5.0dB 之間, 可利用調節電路改進到 -6.5 至 -12.4dB 之間分析顯示, 儘管天線只是其中一個元件, 但在天線電路設計時仍然需要借助其他電路最佳化性能, 尤其必須特別考慮濾波需求調節電路和佈局 4 連接器許多藍芽模組都不帶連接器, 但具有鍍鉛的 BGA 或 SMD 封裝返修任何具有這種鍍鉛封裝的模組都需要使用 BGA 或 SMD 返修工作站這些工作站不僅價格昂貴, 而且當這些元件需要從 PCB 板上提取出以用於測試除錯或修理時, 整個製程流程的週期很長這些情形下, 不僅主 PCB 板極易損壞, 而且在 PCB 上返修鍍鉛模組也並非輕而易舉例如, 需要利用 BGA X 射線儀驗證接腳是否正確地連接到 PCB 上對於設計人員而言, 如果能正確地從模組的連接器中導出訊號, 無疑將節省大量的時間和精力一旦模組配備了能提供 USB 或 UART 介面的標準連接器, 那麼設計人員完全能在既有的設計中添加即插即用模組, 而不必重新設計 PCB 或整合 BGA 或 SMT 之類的元件模組上的連接器還有助於除錯和測試且不需要增加其他特殊設備 8

圖 3: 藍芽模組的常規射頻測試平台 5 晶振一些模組完全不提供板上晶振, 而另外一些模組雖然提供板上晶振, 但模組沒有經過完全測試和認證因此, 這些情形下, 需要進行一些特殊設計考慮晶振的特性也各不相同, 每種晶振都具有最佳化的偏移量, 從而使振盪器上的相位噪音降至最低因此, 使用晶振時晶振的偏移量必須單獨配置

10 圖 3: 藍芽模組的常規射頻測試平台 5 晶振一些模組完全不提供板上晶振, 而另外一些模組雖然提供板上晶振, 但模組沒有經過完全測試和認證因此, 這些情形下, 需要進行一些特殊設計考慮晶振的特性也各不相同, 每種晶振都具有最佳化的偏移量, 從而使振盪器上的相位噪音降至最低因此, 使用晶振時晶振的偏移量必須單獨配置對於帶有板上晶振的已認證模組, 晶振的偏移量可以預先儲存在每個模組中以將相位噪音降至最低 6 協議堆疊標準藍芽元件至少將配備主控介面協議堆疊, 該協議堆疊可支援基本的串行通訊藍芽主機協議, 如藍芽通訊產品的跳頻同步模組製造商可以在協議堆疊頂部加載規範, 如支援纜線替換的串列埠規範 (SPP) 此外, 終端用戶還能開發定製的協議堆疊或者購買第三方開發的協議堆疊 9

11 7 測試中應注意的事項顯示的測試平台可以測試藍芽模組的絕大多數射頻參數, 如接收 / 發送訊號輸出同頻干擾與接收訊號強度指示 (RSSI) 相關的誤碼率 (BER) 性能以及鄰頻干擾待測設備 (DUT) 是利用介面板連接至 PC 的實際藍芽模組, 這種情況下模組需要直流電源, 而 PC 也需要安裝相應的測試軟體這套測試平台的核心部份是藍芽測試儀, 此外, 可以利用頻譜分析議檢驗設備射頻埠上訊號的頻譜內容, 對鄰頻干擾訊號頻譜諧波同頻干擾及噪音進行測量藍芽訊號產生器可以產生具有期望頻寬和頻帶的噪音射頻混合器 / 分離器不僅能將噪音與射頻訊號混合, 還能分離出路由至頻譜分析議和藍芽測試儀的射頻訊號其他的測試準則取決於具體應用利用測試平台可以進行的測試還包括 : A 模組隨時間變化的頻率和功率性能 B 隨頻道數目變化的功率性能 C 同頻干擾 D 鄰頻干擾 E 訊號頻譜內容 F 諧波內容如果模組不自帶天線, 那麼需要額外增加調節電路同樣地, 如果需要在控制板上黏著天線 ( 參見上述的天線調節 ), 那麼需要進行更廣泛的測量如果天線設備沒有正確黏著, 甚至還需要尋求天線製造商的幫助採用獲得預認證的完全整合模組可以免除射頻一致性測試或數據傳輸率測試, 因為該產品已經通過 BQB CE 和 FCC 的認證藍芽認證包括射頻一致性測試和互通性測試因此, 對於所有工程人員而言, 最重要的是確保為模組提供適當的訊號強度並將正確的應用或協議堆疊加載至最終產品中 10

12 參結論在目前的科技中, 無線網路傳輸技術包括, 都面臨著大大小小的問題, 藍芽本身而言, 第一容易被其他的電子器材干擾, 尤其是藍芽和手機的相互干擾影響第二每個國家的政府對於無線傳輸的使用規定都不相同, 造成無線通訊不一致的困擾, 第三各家廠牌的藍芽規格未完全相容現在短距離的無線系統由誰來獨領風騷是無法確定的, 但是藍芽無庸置疑的是目前最有希望的一種傳輸技術, 至於它是否能擺脫幾大缺點脫穎而出, 只能等待未來的發展了 11

13 肆引註資料註一藍芽無線技術發展簡介 ( 檢索日期 2008/10/1) 註二電子工程專輯 ( 檢索日期 2008/10/10) 註三科技鮮知 ( 檢索日期 2008/10/20) 註四維基百科 ( 檢索日期 2008/10/20) 註五行政院主計處電子處理資訊中心 ( 檢索日期 2008/10/20) 12

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Microsoft Word - 1.doc 篇名藍芽之研析作者柯建成高雄縣中山工商綜合高中三年二班壹前言我會以藍芽為題目, 是因為它帶來許多很好的用處, 我相信許多人一定都用過藍芽吧? 藍芽所帶來的不只是一個更快更遠更安全更方便的網路傳輸方式, 還是一個可攜式終端機, 都可以使用一種語言, 彼此自由溝通相互傳送寬頻訊息突破有線的限制跨入無線傳輸時代, 讓每個裝置間不需用纜線連接, 如 : 手機收發話器無線視訊會議等