從BLE BR / EDR到BLE再到藍牙5，藍牙通信技術經(jīng)歷了多種變化，以滿足不同的需求。他們之間到底有什么區(qū)別?

從手機到音箱，從耳機到車載，不同的應用都屬于“藍牙”技術，但藍牙協(xié)議有很多。一些采用藍牙低功耗(BLE)，而其他采用藍牙基本速率/增強數(shù)據(jù)速率(藍牙BR / EDR)。較新的應用程序甚至可能使用藍牙5。

大多數(shù)人不知道藍牙BR / EDR和BLE之間的區(qū)別，也不知道兩者中哪一個最適合他們的特定應用。隨著藍牙5的推出，事情變得更加混亂，這進一步模糊了這些協(xié)議之間的界限。本文旨在解釋BLE與藍牙BR / EDR的不同之處以及藍牙5.0的改進之處。

歷史

為了更好地理解藍牙BR / EDR和BLE的不同之處，重要的是要參考這個無線技術的演進歷史。它們都是由藍牙特別興趣小組(Bluetooth SIG)開發(fā)的，該小組負責管理所有藍牙協(xié)議。隨著開發(fā)的進行，Bluetooth SIG發(fā)布了一個新規(guī)范以引入改進。圖2中的時間線顯示了已發(fā)布的藍牙規(guī)范以及藍牙BR，藍牙EDR，BLE和藍牙5.0。

時間表顯示了多年來每個藍牙規(guī)范的發(fā)布。

藍牙BR / EDR

藍牙BR是第一個開發(fā)的藍牙協(xié)議。它采用了一種使用高斯頻移鍵控(GFSK)在2.4 GHz ISM頻段內(nèi)交換數(shù)據(jù)的獨特方法。選擇此頻段是因為2.4GHz是免授權頻段，所以藍牙BR很快就流行開，因為它提供了一種低成本和低功耗的方式，可以在短距離內(nèi)以高達0.7 Mb / s的速率進行無線收發(fā)。

幾年后，發(fā)布了新規(guī)范Bluetooth 2.0，其中包括藍牙EDR選項。藍牙EDR允許數(shù)據(jù)傳輸速度比藍牙BR快兩到三倍。這是因為它采用差分正交相移鍵控(QDPSK)和差分8級相移鍵控(8DPSK)以及GFSK三種模式。 GFSK每符號發(fā)送一位，而QDPSK每符號發(fā)送兩位，8DPSK每符號發(fā)送三位。

BLE

當BLE最初開發(fā)時，它實際上根本就不是藍牙!它是由諾基亞開發(fā)的一種名為Wibree的無線技術。它的設計耗電量非常低(并且成本非常低且易于配置)，使其成為使用小型電池運行設備的完美解決方案。

Wibree包括許多類似于藍牙BR / EDR的技術，包括2.4GHz ISM頻段的操作，GFSK調(diào)制，信道方案和跳頻。兩者之間的相似之處使Bluetooth SIG在其規(guī)范中采用了Wibree。它被發(fā)布為一種名為藍牙低功耗(BLE)的新型低能耗擴展。BLE首次亮相在藍牙4.0規(guī)范。

藍牙4.0沒有完全淘汰藍牙BR / EDR，而是提供藍牙BR / EDR之外的BLE。具有BLE的消費者設備通常被標記為BLE，而藍牙BR / EDR被標記為藍牙經(jīng)典;但是，這些術語不再用于區(qū)分每個協(xié)議。根據(jù)此規(guī)范，可以開發(fā)無線電作為藍牙BD / EDR模式，僅支持BLE的模式或支持藍牙BR / EDR和BLE的雙模產(chǎn)品。

藍牙5

Bluetooth SIG盡最大努力進行與技術發(fā)展相匹配的改進，而推動電子產(chǎn)品的關鍵進步之一就是物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。 BLE在發(fā)展IoT方面發(fā)揮了重要作用，Bluetooth SIG希望進一步增強藍牙在物聯(lián)網(wǎng)應用中的功能。原始BLE技術的新進展在藍牙5.0中發(fā)布，藍牙5.0也被稱為藍牙5。

藍牙BR / EDR與BLE

讓我們比較藍牙BR / EDR和BLE之間的異同。一個好的起點是協(xié)議的物理層(PHY)。PHY包含用于調(diào)制和解調(diào)模擬信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字符號的電路。PHY的差異是使每個協(xié)議適應特定應用的因素之一。BR / EDR和BLE不同的PHY的四個特性包括信道方案，功耗，延遲和吞吐量。

信道

藍牙BR / EDR和BLE都在2.4GHz ISM頻段內(nèi)通信，但它們劃分頻段的信道數(shù)不同。藍牙BR / EDR將頻段劃分為間隔1 MHz的79個頻道。BLE采用更簡單的發(fā)射器和接收器，因此它將頻帶劃分為間隔2 MHz的40個通道。

無論使用多少信道，藍牙BR / EDR和BLE必須處理的一件事是干擾。 2.4-GHz ISM頻段充滿了發(fā)射機，充分利用了免許可頻段。為了最小化干擾，藍牙BR / EDR和BLE都采用跳頻，其中無線電在一個信道上工作一段短暫的時間，然后跳到另一個信道繼續(xù)通信。

BLE還為其通信方案增加了另一個元素。 BLE留有三個Advertising信道，以廣播它自己。策略性地選擇這三個Advertising頻道的頻率，使得它們不會與2.4GHz的WiFi產(chǎn)生干擾。一旦建立連接，無線電將繼續(xù)在其他37個頻道之一上進行通信。圖3描繪了BLE的信道方案，并示出了三個Advertising信道位于頻帶內(nèi)的位置。

此為BLE的信道表

功率

功耗是藍牙BR / EDR和BLE之間的關鍵區(qū)別因素，因為BLE名稱中的“低能耗”!藍牙BR / EDR使用100 mW的最大輸出功率來傳輸大約10到100 m的數(shù)據(jù)。在大多數(shù)設備可以經(jīng)常充電的日子里，這很好。然而，由于需要能夠在沒有充電的情況下耗盡電池電量數(shù)月或數(shù)年的產(chǎn)品的需求增加，這種類型的輸出功率將會快速耗盡電池。

BLE提供完美的解決方案。它只需在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時打開發(fā)射器和接收器就可以降低能量，最大功率輸出僅為10 mW，可以傳輸?shù)较嗤姆秶LE還以短突發(fā)的數(shù)據(jù)包發(fā)送數(shù)據(jù)，當沒有發(fā)送數(shù)據(jù)包時，接收機處于空閑狀態(tài)，幾乎不會消耗電量。

延遲

BLE優(yōu)于藍牙BR / EDR的另一個特點是延遲。藍牙BR / EDR大約需要100 ms才能準備好發(fā)送數(shù)據(jù)。從發(fā)射器接收數(shù)據(jù)到接收器可用數(shù)據(jù)時，還有100毫秒的延遲。在某些情況下，這會導致相當明顯的延遲。它還會導致更高的功耗，因為發(fā)送數(shù)據(jù)所需的額外時間會導致更多的電池消耗。

BLE提供更低的延遲，只需3 ms即可準備發(fā)送數(shù)據(jù)。此外，從發(fā)送器接收數(shù)據(jù)到接收器可用時的等待時間僅為6 ms。這樣可以更快地發(fā)送數(shù)據(jù)并節(jié)省電力。

吞吐量

此時，您可能想知道為什么有人會選擇藍牙BR / EDR而不是BLE，這主要原因是因為藍牙BR/EDR的吞吐量遠大于BLE。藍牙BR / EDR和BLE都采用GFSK，因此從理論上講，吞吐量的最大限制是1 Mb / s。但是，諸如協(xié)議開銷，無線電限制和人為軟件限制等因素限制了實際吞吐量。

實際上，藍牙BR可以達到高達0.7 Mb / s的吞吐量，而藍牙EDR可以達到2.1 Mb / s的吞吐量，這足以滿足流媒體音頻等應用的吞吐量。由于BLE以短脈沖發(fā)送數(shù)據(jù)以節(jié)省功率，因此其吞吐量面臨額外限制。它只能達到0.27 Mb / s的最大吞吐量。雖然這種吞吐量不足以傳輸流式音頻，但發(fā)送常用的傳感器數(shù)據(jù)已經(jīng)足夠了。

很明顯，每種協(xié)議的PHY差異都會導致操作參數(shù)的很大差異。表1總結了藍牙BR / EDR和BLE之間的關鍵參數(shù)差別。

BLE 5.0

藍牙5使用低功耗BLE技術，但納入了一些新的增強功能。最大的增強之一是引入了三種PHY，可以選擇這些PHY來改善最大傳輸范圍或吞吐量。藍牙5還增加了改進Advertising的增強功能。

藍牙5提供的第一個PHY稱為LE 1M。這與藍牙4.2規(guī)范中用于BLE的PHY相同，因此其大多數(shù)參數(shù)將與表1中所示的相匹配。LE 1M是藍牙5中唯一必需的PHY。其他兩個PHY是可選的。

藍牙5集成了編碼PHY作為可選PHY之一，可以擴展通信范圍。編碼PHY通過引入冗余來獲得一些處理增益，而不是依靠增加發(fā)送器的功率，從而實現(xiàn)更長的傳輸范圍。

藍牙5引入了額外的冗余位，用于確定位的正確值。編碼PHY有兩種變體：S = 2和S = 8。 S = 2時每比特發(fā)送兩個符號，這減少2倍吞吐量，但理論上傳輸范圍是此前的兩倍。S = 8每位發(fā)送8個符號。雖然這會將原始吞吐量降低到125 kb / s，但它的范圍大約是其四倍。在實踐中，實際范圍將略低于理論值，但這種方法仍有助于實現(xiàn)更大的范圍。

范圍對于所有終端應用并不重要，因此藍牙5確保為吞吐量比范圍更重要的應用包含一些內(nèi)容。有一個稱為LE 2M的雙倍數(shù)據(jù)速率選項，可將原始數(shù)據(jù)速率提高到2 Mb / s。它允許以1.4 Mb / s的最大實際吞吐量發(fā)送數(shù)據(jù)。這意味著數(shù)據(jù)傳輸速度甚至比藍牙BR更快，功耗更低，但是傳輸距離會近一些。

表2比較了藍牙5中可用的三種PHY，以顯示它們在原始數(shù)據(jù)速率和范圍方面的差異

藍牙5為Advertising提供了很多增強功能，它仍然使用與BLE相同的頻道方案，但包括在所有40個頻道而不是僅僅三個頻道上進行額外Advertising的選項。在藍牙5中，可以在BLE中使用的三個Advertising信道上發(fā)送小的Advertising包。但是，他們現(xiàn)在可以指向可以在其他37個頻道上發(fā)送的更大的Advertising數(shù)據(jù)包(最多255個八位字節(jié))。這也有助于減少三個主要Advertising渠道上的內(nèi)容量。藍牙5還包括用于Advertising分組鏈接，周期性Advertising和較低的最小Advertising間隔的增強。

應用

PHY中的差異是確定哪種協(xié)議最適合哪類應用的關鍵，我們在最后幾節(jié)中介紹了許多技術細節(jié)，可用于更好地理解每種協(xié)議的理想用法。

讓我們從藍牙BR / EDR開始吧。它可以降低數(shù)據(jù)包延遲和功耗，實現(xiàn)更高的吞吐率，因此最適合吞吐量需求高的應用，這使其成為流式傳輸或發(fā)送大量數(shù)據(jù)等應用的理想?yún)f(xié)議。常見的應用是無線耳機(圖4)和點對點應用。

BLE最適合只需要發(fā)送少量數(shù)據(jù)的應用程序，從而可以喚醒設備，傳輸所需的數(shù)據(jù)，然后再回到睡眠狀態(tài)。BLE的低功耗使其成為使用小型電池供電的設備的必備品適合BLE的應用程序是心率監(jiān)視器。心率監(jiān)測器不需要經(jīng)常發(fā)送數(shù)據(jù)，它需要在電池上運行一段時間。隨著物聯(lián)網(wǎng)領域的不斷發(fā)展，我們可能會看到許多新的BLE應用。

請務必注意，當您為應用程序選擇藍牙設備時，您需要確保選擇支持您計劃使用的協(xié)議的IC。如前所述，藍牙BR / EDR和BLE使用不同的PHY，因此您需要確保您選擇的IC支持您計劃使用的協(xié)議的PHY，或者如果您認為兩者都可能對您有益，則它需要支持兩種PHY應用。

藍牙5承諾進行廣泛的改進，已開始出現(xiàn)在流行的技術中。許多流行的智能手機已經(jīng)提供藍牙5支持。與大多數(shù)無線協(xié)議一樣，藍牙5需要花費幾年時間才能集成到大多數(shù)電子設備中。但是，現(xiàn)在藍牙5的普及越來越明顯了。

如果您想為藍牙5做好準備，則需要一個兼容藍牙5的微控制器來滿足關鍵要求。其中一個例子是Maxim的MAX32666GWPBT，它具有雙Arm Cortex-M4內(nèi)核和專用于運行藍牙堆棧的獨立硬件(圖5)。這使得兩個核心完全免費用于您的應用程序。另一種選擇是MAX32665低功耗Arm Cortex-M4，帶浮動單元(FPU)微控制器和藍牙5。該微控制器包括電源管理功能，如單電感多輸出(SIMO)開關模式電源和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能可最大限度地降低功耗，因此非常適合電池供電系統(tǒng)。

面向藍牙5的MAX32666GWPBT微控制器

結論

藍牙BR / EDR適用于最大吞吐量至關重要的應用。它可能消耗大量功率，因此對于需要延長電池壽命的應用來說并不好。它還具有更長的延遲，并且需要更長的時間來設置連接以發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，它不適用于傳輸和接收不常見的短消息的應用程序。非常適合連接汽車音響或設備之間發(fā)送文件，這兩種應用都需要高吞吐量并且對功率不敏感。

當需要低功耗且不需要高吞吐量時，使用BLE技術，它可以非?？焖俚匕l(fā)送數(shù)據(jù)并具有低延遲。它適用于需要在小型電池上運行很長時間的應用或者不需要經(jīng)常發(fā)送數(shù)據(jù)的應用中，比如家庭安全系統(tǒng)，如智能門鎖和健身追蹤器等。

盡管這些技術都稱為藍牙，但它們確實為無線電子領域提供了不同的優(yōu)勢。要確定哪種協(xié)議最適合您的應用，請務必回顧表1中列出的PHY差異，以了解每種協(xié)議的優(yōu)勢。此外，請關注藍牙5如何通過其更高的吞吐量，更長的范圍和更廣泛的Advertising功能，在未來幾年內(nèi)藍牙5將改變整個行業(yè)。