從BLE BR / EDR到BLE再到藍(lán)牙5，藍(lán)牙通信技術(shù)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(jī)到音箱，從耳機(jī)到車載，不同的應(yīng)用都屬于“藍(lán)牙”技術(shù)，但藍(lán)牙協(xié)議有很多。一些采用藍(lán)牙低功耗(BLE)，而其他采用藍(lán)牙基本速率/增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率(藍(lán)牙BR / EDR)。較新的應(yīng)用程序甚至可能使用藍(lán)牙5。

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

歷史

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

時(shí)間表顯示了多年來每個(gè)藍(lán)牙規(guī)范的發(fā)布。

藍(lán)牙BR / EDR

藍(lán)牙BR是第一個(gè)開發(fā)的藍(lán)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(dú)特方法。選擇此頻段是因?yàn)?.4GHz是免授權(quán)頻段，所以藍(lán)牙BR很快就流行開，因?yàn)樗峁┝艘环N低成本和低功耗的方式，可以在短距離內(nèi)以高達(dá)0.7 Mb / s的速率進(jìn)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(lán)牙EDR選項(xiàng)。藍(lán)牙EDR允許數(shù)據(jù)傳輸速度比藍(lán)牙BR快兩到三倍。這是因?yàn)樗捎貌罘终幌嘁奇I控(QDPSK)和差分8級(jí)相移鍵控(8DPSK)以及GFSK三種模式。 GFSK每符號(hào)發(fā)送一位，而QDPSK每符號(hào)發(fā)送兩位，8DPSK每符號(hào)發(fā)送三位。

BLE

當(dāng)BLE最初開發(fā)時(shí)，它實(shí)際上根本就不是藍(lán)牙!它是由諾基亞開發(fā)的一種名為Wibree的無線技術(shù)。它的設(shè)計(jì)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(yùn)行設(shè)備的完美解決方案。

Wibree包括許多類似于藍(lán)牙BR / EDR的技術(shù)，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(lán)牙低功耗(BLE)的新型低能耗擴(kuò)展。BLE首次亮相在藍(lán)牙4.0規(guī)范。

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

藍(lán)牙5

Bluetooth SIG盡最大努力進(jìn)行與技術(shù)發(fā)展相匹配的改進(jìn)，而推動(dòng)電子產(chǎn)品的關(guān)鍵進(jìn)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(jìn)一步增強(qiáng)藍(lán)牙在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的功能。原始BLE技術(shù)的新進(jìn)展在藍(lán)牙5.0中發(fā)布，藍(lán)牙5.0也被稱為藍(lán)牙5。

藍(lán)牙BR / EDR與BLE

讓我們比較藍(lán)牙BR / EDR和BLE之間的異同。一個(gè)好的起點(diǎn)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(hào)并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字符號(hào)的電路。PHY的差異是使每個(gè)協(xié)議適應(yīng)特定應(yīng)用的因素之一。BR / EDR和BLE不同的PHY的四個(gè)特性包括信道方案，功耗，延遲和吞吐量。

信道

藍(lán)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(lán)牙BR / EDR將頻段劃分為間隔1 MHz的79個(gè)頻道。BLE采用更簡(jiǎn)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(gè)通道。

無論使用多少信道，藍(lán)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(jī)，充分利用了免許可頻段。為了最小化干擾，藍(lán)牙BR / EDR和BLE都采用跳頻，其中無線電在一個(gè)信道上工作一段短暫的時(shí)間，然后跳到另一個(gè)信道繼續(xù)通信。

BLE還為其通信方案增加了另一個(gè)元素。 BLE留有三個(gè)Advertising信道，以廣播它自己。策略性地選擇這三個(gè)Advertising頻道的頻率，使得它們不會(huì)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(gè)頻道之一上進(jìn)行通信。圖3描繪了BLE的信道方案，并示出了三個(gè)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(lán)牙BR / EDR和BLE之間的關(guān)鍵區(qū)別因素，因?yàn)锽LE名稱中的“低能耗”!藍(lán)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(shè)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(huì)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(shí)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?。BLE還以短突發(fā)的數(shù)據(jù)包發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)沒有發(fā)送數(shù)據(jù)包時(shí)，接收機(jī)處于空閑狀態(tài)，幾乎不會(huì)消耗電量。

延遲

BLE優(yōu)于藍(lán)牙BR / EDR的另一個(gè)特點(diǎn)是延遲。藍(lán)牙BR / EDR大約需要100 ms才能準(zhǔn)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(shí)，還有100毫秒的延遲。在某些情況下，這會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)明顯的延遲。它還會(huì)導(dǎo)致更高的功耗，因?yàn)榘l(fā)送數(shù)據(jù)所需的額外時(shí)間會(huì)導(dǎo)致更多的電池消耗。

BLE提供更低的延遲，只需3 ms即可準(zhǔn)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(shí)的等待時(shí)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(shí)，您可能想知道為什么有人會(huì)選擇藍(lán)牙BR / EDR而不是BLE，這主要原因是因?yàn)樗{(lán)牙BR/EDR的吞吐量遠(yuǎn)大于BLE。藍(lán)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(shí)際吞吐量。

實(shí)際上，藍(lán)牙BR可以達(dá)到高達(dá)0.7 Mb / s的吞吐量，而藍(lán)牙EDR可以達(dá)到2.1 Mb / s的吞吐量，這足以滿足流媒體音頻等應(yīng)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(dá)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(huì)導(dǎo)致操作參數(shù)的很大差異。表1總結(jié)了藍(lán)牙BR / EDR和BLE之間的關(guān)鍵參數(shù)差別。

BLE 5.0

藍(lán)牙5使用低功耗BLE技術(shù)，但納入了一些新的增強(qiáng)功能。最大的增強(qiáng)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(lán)牙5還增加了改進(jìn)Advertising的增強(qiáng)功能。

藍(lán)牙5提供的第一個(gè)PHY稱為L(zhǎng)E 1M。這與藍(lán)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(lán)牙5中唯一必需的PHY。其他兩個(gè)PHY是可選的。

藍(lán)牙5集成了編碼PHY作為可選PHY之一，可以擴(kuò)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(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的傳輸范圍。

藍(lán)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(shí)每比特發(fā)送兩個(gè)符號(hào)，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(gè)符號(hào)。雖然這會(huì)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(shí)踐中，實(shí)際范圍將略低于理論值，但這種方法仍有助于實(shí)現(xiàn)更大的范圍。

范圍對(duì)于所有終端應(yīng)用并不重要，因此藍(lán)牙5確保為吞吐量比范圍更重要的應(yīng)用包含一些內(nèi)容。有一個(gè)稱為L(zhǎng)E 2M的雙倍數(shù)據(jù)速率選項(xiàng)，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(shí)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(lán)牙BR更快，功耗更低，但是傳輸距離會(huì)近一些。

表2比較了藍(lán)牙5中可用的三種PHY，以顯示它們?cè)谠紨?shù)據(jù)速率和范圍方面的差異

藍(lán)牙5為Advertising提供了很多增強(qiáng)功能，它仍然使用與BLE相同的頻道方案，但包括在所有40個(gè)頻道而不是僅僅三個(gè)頻道上進(jìn)行額外Advertising的選項(xiàng)。在藍(lán)牙5中，可以在BLE中使用的三個(gè)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(gè)頻道上發(fā)送的更大的Advertising數(shù)據(jù)包(最多255個(gè)八位字節(jié))。這也有助于減少三個(gè)主要Advertising渠道上的內(nèi)容量。藍(lán)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(qiáng)。

應(yīng)用

PHY中的差異是確定哪種協(xié)議最適合哪類應(yīng)用的關(guān)鍵，我們?cè)谧詈髱坠?jié)中介紹了許多技術(shù)細(xì)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(lán)牙BR / EDR開始吧。它可以降低數(shù)據(jù)包延遲和功耗，實(shí)現(xiàn)更高的吞吐率，因此最適合吞吐量需求高的應(yīng)用，這使其成為流式傳輸或發(fā)送大量數(shù)據(jù)等應(yīng)用的理想?yún)f(xié)議。常見的應(yīng)用是無線耳機(jī)(圖4)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用。

BLE最適合只需要發(fā)送少量數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，從而可以喚醒設(shè)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(shè)備的必備品適合BLE的應(yīng)用程序是心率監(jiān)視器。心率監(jiān)測(cè)器不需要經(jīng)常發(fā)送數(shù)據(jù)，它需要在電池上運(yùn)行一段時(shí)間。隨著物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，我們可能會(huì)看到許多新的BLE應(yīng)用。

請(qǐng)務(wù)必注意，當(dāng)您為應(yīng)用程序選擇藍(lán)牙設(shè)備時(shí)，您需要確保選擇支持您計(jì)劃使用的協(xié)議的IC。如前所述，藍(lán)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(jì)劃使用的協(xié)議的PHY，或者如果您認(rèn)為兩者都可能對(duì)您有益，則它需要支持兩種PHY應(yīng)用。

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

如果您想為藍(lán)牙5做好準(zhǔn)備，則需要一個(gè)兼容藍(lán)牙5的微控制器來滿足關(guān)鍵要求。其中一個(gè)例子是Maxim的MAX32666GWPBT，它具有雙Arm Cortex-M4內(nèi)核和專用于運(yùn)行藍(lán)牙堆棧的獨(dú)立硬件(圖5)。這使得兩個(gè)核心完全免費(fèi)用于您的應(yīng)用程序。另一種選擇是MAX32665低功耗Arm Cortex-M4，帶浮動(dòng)單元(FPU)微控制器和藍(lán)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(guān)模式電源和動(dòng)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(lán)牙5的MAX32666GWPBT微控制器

結(jié)論

藍(lán)牙BR / EDR適用于最大吞吐量至關(guān)重要的應(yīng)用。它可能消耗大量功率，因此對(duì)于需要延長(zhǎng)電池壽命的應(yīng)用來說并不好。它還具有更長(zhǎng)的延遲，并且需要更長(zhǎng)的時(shí)間來設(shè)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(yīng)用程序。非常適合連接汽車音響或設(shè)備之間發(fā)送文件，這兩種應(yīng)用都需要高吞吐量并且對(duì)功率不敏感。

當(dāng)需要低功耗且不需要高吞吐量時(shí)，使用BLE技術(shù)，它可以非常快速地發(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(yùn)行很長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用或者不需要經(jīng)常發(fā)送數(shù)據(jù)的應(yīng)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(shù)都稱為藍(lán)牙，但它們確實(shí)為無線電子領(lǐng)域提供了不同的優(yōu)勢(shì)。要確定哪種協(xié)議最適合您的應(yīng)用，請(qǐng)務(wù)必回顧表1中列出的PHY差異，以了解每種協(xié)議的優(yōu)勢(shì)。此外，請(qǐng)關(guān)注藍(lán)牙5如何通過其更高的吞吐量，更長(zhǎng)的范圍和更廣泛的Advertising功能，在未來幾年內(nèi)藍(lán)牙5將改變整個(gè)行業(yè)。