蓝牙通信在信息家电中有哪些应用原理？


[导读]蓝牙使用射频无线技术在2.4 GHz频段进行通信。它采用了频分复用(Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS)技术，通过在不同的频率上快速切换传输数据，以减少干扰和提高可靠性。


蓝牙传输原理：


蓝牙使用射频无线技术在2.4 GHz频段进行通信。它采用了频分复用(Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS)技术，通过在不同的频率上快速切换传输数据，以减少干扰和提高可靠性。蓝牙还使用短距离通信技术，通常在10米以内，而在某些蓝牙设备上，可达到更远的距离。


蓝牙传输方式：


蓝牙可以以两种不同的方式进行数据传输：基本速率(Basic Rate)和增加数据速率(Enhanced Data Rate)。


基本速率(BR)：这是蓝牙最初采用的传输速率，最高为3 Mbps。基本速率适用于大部分普通数据传输需求，如语音通信、文件传输等。


增加数据速率(EDR)：为了满足更高带宽要求的应用，蓝牙引入了增加数据速率。增加数据速率可以提供更快的数据传输速度，最高可达到3 Mbps以上，具体速率取决于设备的支持能力和配置。


蓝牙协议栈：


蓝牙信息传输涉及不同的协议层，构成了蓝牙协议栈。蓝牙协议栈包括物理层(Physical Layer)，链路层(Link Layer)，适配层(Adaptation Layer)，逻辑链路控制层(Logical Link Control Layer)，蓝牙主机控制器接口(Bluetooth Host Controller Interface，HCI)，蓝牙应用层(Bluetooth Application Layer)等。


协议栈的不同层次负责管理射频通信、数据封装和控制、连接管理、数据传输和管理等功能，以实现可靠的数据传输和设备之间的通信。


蓝牙技术是一种全球通用的无线通讯标准，已经应用到各行各业中，覆盖了全世界96%以上的手机，在短距离内可连接任何有关联的设备，成为接入物联网的主要技术之一。所谓蓝牙(Bluetooth)技术，实际上是一种短距离无线通信技术。


说得通俗一点，就是蓝牙技术使得现代一些轻易携带的移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的无线通信网络。


“蓝牙”这名称来自10世纪的丹麦国王哈拉尔德(Harald Gormsson)的外号。出身海盗家庭的哈拉尔德统一了北欧四分五裂的国家，成为维京王国的国王。由于他喜欢吃蓝莓，牙齿常常被染成蓝色，而获得“蓝牙”的绰号，当时蓝莓因为颜色怪异的缘故被认为是不适合食用的东西，因此这位爱尝新的国王也成为创新与勇于尝试的象征。1998年，爱立信公司希望无线通信技术能统一标准而取名“蓝牙”。


贝瑞蓝牙系列产品


蓝牙的工作原理


蓝牙设备使用频率为2.4GHz的无线电波连接手机和电脑。蓝牙产品包含一块小小的蓝牙模块以及支持连接的蓝牙无线电和软件。当两台蓝牙设备想要相互交流时，它们需要进行配对。蓝牙设备之间的通信在短程的临时网络(指设备使用蓝牙技术连接而成的网络)中进行。这种网络可容纳多台蓝牙设备进行连接。当网络环境创建成功，一台设备作为主设备，而所有其它设备作为从设备。这种经过配对后临时建立的网络在蓝牙设备加入和离开无线电短程传感时将会动态、自动的重新建立联系。


蓝牙技术的不同类别


蓝牙技术依据核心规格的不同可分为多个类别。目前最常见的是蓝牙BR/EDR(即基本速率/增强数据率)和低功耗蓝牙(BLE)技术


蓝牙BR/EDR技术——建立相对短程、持续的无线连接，为播放音频流等用例的理想之选;


低功耗蓝牙技术(BLE)——允许快速进行相对远程的无线连接，为不需持续连接且所需电池寿命长的物联网(loT)应用的理想技术选择;


蓝牙技术的应用分别有哪些?


蓝牙BR/EDR主要应用在蓝牙2.0/2.1版，一般用于扬声器和耳机等产品;而低功耗蓝牙技术主要应用在蓝牙4.0/4.1/4.2版。比如，低功耗蓝牙技术可将门锁、灯、电视、玩具、汽车电子、医疗设备、运动器材等等几乎能想到的所有东西都能与蓝牙连接起来。


作为一项历久弥新的技术，基于移动平台的蓝牙应用为整个无线市场带来了实用便捷的巨大优势，蓝牙依然保持着强大的生命力和竞争力，让更多人了解和熟悉蓝牙的妙处，未来蓝牙技术的应用必将随着市场的需求和研发人员的创意设计，拓展更多的方向。


首先，有一个蓝牙音讯发送器，称为音讯源，通常是手机或电脑。接下来，需要一个蓝牙音讯接收器，如耳机或扬声器。


发送器的工作并不只是将音乐档案发送到接收器那样简单，根据录制音档的质量，会影响音讯的档案大小。高品质的录音代表档案很大，档案的大小直接影响将音讯传输到接收器所需的带宽。我们可以将带宽视为交通高速公路的宽度，将档案大小视为车流量。当车流量超过高速公路的负荷范围，就会发生交通堵塞，行驶变得缓慢而不稳定。


蓝牙连接具有可容纳的最大带宽，WAV和AIFF等无压缩格式的档案很大，通过蓝牙简单地传送这些原始档案，带宽将被消耗掉，超出了蓝牙连接的处理能力。音讯将开始停顿，影响整体连线品质。


这时候就是编码和解码派上用场的地方。


编码和解码


为了缩小音讯档案的大小，蓝牙发射器使用特殊的算法，将原始档案编码为压缩格式，然后将其发送到接收器。这些压缩格式本身不是可以播放的音讯档案，必须通过接收端将压缩后的格式解码为可播放的音讯档案，然后才可以播放。


音讯转码器


转码器是一套软件或算法，可以接收你的数据(音乐)，将其压缩以缩小档案大小，然后将其编码为可以传输的格式。同时，还需要相同的转码器来解码、编码的数据，以便我们可以听音乐。


在保持音讯数据还原度的同时缩小档案大小并非易事，通过心理声学研究和分析，转码器省略了音乐中掩盖的信息，这些信息可以在不引起质量明显损失的情况下被删除。


每个蓝牙音讯转码器都有其自己独特的压缩算法以及传输数据的速度。就延迟和还原度而言，这会影响蓝牙音讯的质量。


常见转码器如下：


SBC


AAC


aptX


aptX HD


aptX LL


LDAC


LC3


Samsung Scalable Codec


在深入探讨转码器及其特性之前，我们需要认识并理解一些基本的音频术语。


基本音讯术语


阅读有关蓝牙转码器的文章和规格时，会有一些术语会反复出现，让我们先讨论这些。


如果你对数码音讯有一些基本的了解，可能以前曾经接触过这些知识。


采样率(Sample Rate)


使用脉冲编码调制(PCM)存储音讯信号。为了准确地撷取、存储和再现信号，以特定速率(以赫兹(Hz)为单位的采样速率)对输入信号进行快照或采样。


为了再现音乐信号的全部频谱，使用的最小采样率为44,100Hz或44.1kHz。每秒将采集44,100个样本。有些甚至使用48kHz、96kHz或是192kHz等更高的采样率。对于大多数消费者来说，44.1kHz是可以接受的，这是音乐中最常用的速率。使用此采样率可以准确再现高达22050Hz的频率，刚好超过人类的听力极限。当不讲求音质的时候，例如语音，可以使用较低的速率。


位元深度(Bit Depth)


常见跟音乐有关的位深度为16位元和24位元，虽然采样率与准确捕获频率有关，但位深度与动态范围有关。动态范围是一段音乐中最安静和最响亮的声音之间的距离，以及该范围内的质量。


多年来，16位元是在CD上使用的深度标准。尽管16位元仍然很普遍，但现在越来越广泛地在高分辨率(HD)音频使用24位元。消费者现在可以购买无损格式的音乐，以支持更高的采样率和位元深度。


位元率(Bitrate)


位元率是数据从一个点传输到另一点的速度，以每秒位元数(bps)、每秒千位元(kbps)或每秒兆位元(Mbps)进行度量。同时，我们还使用位元率来描述音频档案的还原度。以320kbps压缩的MP3文件比以128kbps压缩的MP3文件具有更好的动态范围和音质。使用更高的位元率，可以无线发送具有更高位元深度和采样率的音频档案，从而提高了音频质量。但是，这意味着用于传输的带宽必须增加。