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藍牙無線技術---陳友祥 (中無通訊第102期)

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發表於 4-5-2023 20:28:16 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
本帖最後由 VR2ZWP 於 4-5-2023 21:30 編輯

                                                      本文原刋載於 中無通訊第102(20234月版) ,作者為 陳友祥先生。

                                                           藍牙 無線技術  Bluetooth Wireless Technilogy

              藍牙,最易想起耳機,由最初拖住個電池盒,到今日細細粒,藍牙咪,唔怕回輸,不用拉線,條形音箱 ( Soundbar ),容易安裝...  實際上還有很多產品家用電話有藍牙,手機連通後變室內子機,手機打街線,與家用電話對講,汽車音響連接手機成免提通話,成車人聽到你講話 ( 一笑 有其他免提方法 )藍牙打印機 ( Printer ) 電腦周邊,藍牙遙控燈掣...新的藍牙陸續有來。

     藍牙 Bluetooth 屬短距離無線傳輸技術 SRW ( Short Range Wireless )之一,尚有很多如 Zeebee、WiFi、更短距離之近場通訊 NFC ( Near Field Communication )...

藍牙源於 愛立信 Ericsson 及 Nokia 採用 short-link 技術開發無線耳機,1996年Intel、Ericsson、Nokia 聯同定立技術標準,用了一位古丹麥和挪威的國王的稱號 "藍牙",國王團結了斯堪的納維亞半島,統一了丹麥與挪威各部族,死後牙齒呈深藍色而得名。國王名字 King Harald "Bluetooth"Gormsson,藍牙標誌是把 Harald 的首字母 Younger Futhark 符文 (Hagall) (ᚼ) 和 (Bjarkan) (ᛒ) 的組合。

      藍牙技術聯盟 Bluetooth Special Interest Group 簡稱 SIG,1998年於美國西岸成立,成員包括:新力愛立信 Sony Ericsson,東芝 Toshiba,諾基亞 Nokia,英特爾 Intel及 國際商業機器公司 IBM,藍牙技術公開,技術資料可在 Bluetooth 網頁下載。

      藍牙技術分兩階段,早期的稱作傳統藍牙 ( Bluetooth Classic ),於短距離範圍,用無線取代接線,隨後發展功能更強大的低功耗藍牙 LE ( Bluetooth Low Energy ), ( 見表一 ),最新規格是 Version 5.4。
表一.jpg
                                                                表一:Bluetooth Classic 與 Bluetooth LE 比較


       藍牙採用免授權 ISM 2.4 GHz 頻段 ( 2.400 MHz ~ 2.4835 MHz ),使用高斯頻移鍵控 GFSK 調制,還有兩款調制方式,發射功率 1mW ~ 100mW 分三級 ( 見表二 ),藍牙設備會按訊號強弱,調整發射功率,分 79 個頻道 ,每頻道 1MHz,使用跳躍展頻技術 FHSS,每秒跳動 1600 次,稱作傳統藍牙 ( Bluetooth Classic )。

                   ISM bands (Industrial, Scientific, and Medical) 供科學、醫療和工業設備一般使用
                   GFSK ( Gaussian frequency-shift keying Modulation )
                   FHSS ( Frequency-Hopping Spread Spectrum )

表二.jpg
                                                                 表二:發射功率規格 Version 5.4




 樓主| 發表於 4-5-2023 20:45:56 | 顯示全部樓層
本帖最後由 VR2ZWP 於 4-5-2023 21:06 編輯

      低功耗藍牙 LE ( Bluetooth Low Energy ),於 2010 年發表,更省電,用途更廣,同是 2.4 GHz 頻段 ( 2.400 MHz ~ 2.4835 MHz ),改為 40 個頻道,每頻道 2MHz,GFSK 調制,FHSS 跳頻,增加了數據傳輸方式。
      藍牙設備採用主從配置,分主機 ( Master ) 子機 ( Slave ),主機負責頻道調配、數據傳輸方式..等功能,角色亦可互換 (只能做子機者例外 ),先要求連線者便成主機,亦可釋放主機功能變成子機,子機只能與主機連通,藍牙網路由一對置組成,最多可擴展至八個裝置 ( 主機 + 七個子機 ) 組成一個微微網 ( Piconet ),多個微微網組成散射網 ( Scatternet ) 擴展覆蓋範圍並增加裝置數量 ( 見圖一 )。
圖1.jpg
                                                圖一:Point to Point,Piconet and Scatternet

      藍牙配對簡單,只要打開藍牙,周圍的藍牙設備就會顯示,選擇需要者即可,選擇後留下記憶,下次接近即會連通,有產品第一次使用,會要求輸入簡單密碼,以作識別,沒有顯示器的用閃燈,按一下指定的按掣確定連接。

圖2.jpg
                                               圖二:藍牙配對後留下記憶

      藍牙音頻 ( Audio ) 及數據 ( Data ) 通過無線電波傳送,音頻編碼成數碼,高頻送出,接收後解碼成音頻,放大後輸出喇叭或耳機,藍牙 LE 用上新的 LC3 編碼技術,編、解碼過程兼顧省電與效率,同樣音質的音頻訊號,輸出數據速率( Data rate ) 比前縮小近半,多流音頻 ( Multiple-streams audio),左、右聲道分別接收,減少延遲,提升了音質 ( 見圖三 )。

       LC3 Low Complexity Communications Codec 低複雜性通信編碼

圖3.jpg
                                               圖三:LE audio 多流音頻,左、右聲道分別接收

 樓主| 發表於 4-5-2023 21:21:18 | 顯示全部樓層
本帖最後由 VR2ZWP 於 4-5-2023 21:24 編輯


   圖4b.jpg                                                                                                                                  
                                                        圖四:藍牙 LE 新功能 ( 取自 SIG 網頁 )


       Auracast 音頻廣播 ( Auracast broadcast audio ),在任何地方設置多個廣播台,周邊的人都能用配合器材收到聲音,手機通過 Broadcast scan 選擇廣播台並接通收聽,亦可加密給只獲授權人仕收聽,在博物館,人走到展品面前,立即會聽到介紹,助聽器加上此功能,弱聽人仕同樣能收聽,此功能可以加到戲院、醫院、公眾會堂 ...

藍牙定向,有如無線電定向,在大型展覽會場地、商場、機場...協助人們找尋場館、商店、登機口...甚至商品,採用三點定位 ( 設立三個發射器 ) 還可以給物流貨倉尋找貨品。

圖5.JPG
                                                                圖五:幾蚊掏返嚟嘅藍牙立體聲,天線印在 PCB

      圖6.jpg                                                                                                                                  
                                                                  圖六:一粒 IC 做晒接收同解碼,加放大可以出喇叭

參考資料
https://www.bluetooth.com/learn-about-bluetooth/tech-overview/
https://www.bluetooth.com/media/le-audio/le-audio-faqs/
https://www.bluetooth.com/learn-about-bluetooth/recent-enhancements/le-audio/
https://www.bluetooth.com/bluetooth-resources/enhancing-bluetooth-location-services-with-direction-finding/

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