Edr bluetooth что это такое

Тайны синего зуба: что нового в Bluetooth 5.0 и чем он отличается от более ранних версий

Те, кому слегка за 30, наверняка помнят времена, когда Bluetooth использовали для передачи картинок и видеороликов с телефона на телефона, а единственным беспроводным гаджетом в доме была беспроводная-мышка. Впрочем, технология «синего зуба» не стоит на месте, а количество беспроводных гаджетов и носимой электроники растет день ото дня. При этом за годы развития протокол оброс кучей разных версий, которые заметно отличаются друг от друга, поэтому человеку непосвященному легко запутаться в этом лесу. В данном материале мы разберемся в ключевых отличиях между разными версиями, а также рассмотрим какой Bluetooth нужен для популярных товаров вроде беспроводных наушников, умных колонок, смарт-часов, игровых геймпадов и т. д.

Что такое Bluetooth и как он работает

Для начала небольшая и забавная предыстория. В 1998 году перед группой инженеров Intel поставили задачу разработки радиотехнологии ближнего действия, которая сможет объединить компьютеры, телефоны и прочую технику. Забавно, что самой большой проблемой при разработке стало название — ни один из предложенных вариантов не устраивал верхушку Intel. Тогда руководитель проекта Джим Кардак услышал от друга историю о датском короле Харальде Синезубом (прим: Bluetooth в переводе с английского значит синий зуб), который покорил вечно воевавших Данию и Норвегию, обратив оба народа в Христианство. Символичное объединяющее название «Синий зуб» взяли на время. Однако из-за проблем с патентами Intel не смогла использовать название Personal Area Networking и новая сеть так и осталась «синезубой», а странный логотип отражает первые буквы имени Харальда Блютуза (ХB), написанные рунным алфавитом.

Чтобы лучше понимать отличия новых и старых версий, рассмотрим как вообще работает Bluetooth на примере простой передачи файла с одного смартфона на другой. Итак, сначала вы активируете радиопередатчик, работающий в диапазоне частот 2.4 ГГц. Первый смартфон начинает отслеживать все сигналы в этих пределах, а второй пингует нечто вроде приветственного сигнала. После обнаружения друг друга передатчик первого смартфона формирует из радиоволн особый шаблон, который меняется более тысячи раз в секунду, прыгая между частотами от 2.4 ГГц до 2.48ГГц в практически случайном порядке. Получается нечто вроде уникального рукопожатия, по которому оба смартфона определяют друга друга и игнорируют все остальные активные Bluetooth-устройства в радиусе действия. Далее начинается процесс отправки: данные разбиваются на пакеты (оформленные определенным образом блоки данных с инструкциями по сборке из них исходного файла), а процессор приемника обрабатывает эти пакеты, складывает их в один файл и помещает его в постоянную память устройства. Этот принцип работы является общим для всех беспроводных устройств. Различаются лишь принципы передачи данных и особенности подключения.

Актуальные версии Bluetooth

На данный момент актуальная версия Bluetooth — это 5.1. В большинстве современных гаджетов используется «пятерка» и «четверка», а третья и более ранние версии уходят на покой и не особо актуальны. Важно понимать, что новые версии протокола работают и со старыми. То есть, смартфон с Bluetooth пятого поколения легко присоединиться к гаджету с Bluetooth 3.0. Однако играть они будут по правилам младшей версии, которая не умеет всего того, что старшая.

Bluetooth 2

Bluetooth 2.0 вышел в массы в 2004 г. Основным нововведением стала поддержка Enhanced Data Rate (EDR) для ускорения передачи данных. Номинальная скорость EDR составляет порядка 3 Мбит/с, хотя на практике это позволило повысить скорость до 2.1 Мбит/с. Чуть позже была добавлена функция расширенного запроса характеристик устройства и энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3 — 10 раз.

Вторая версия и ее предшественники сейчас используются преимущественно там, где не нужно сочетание скорости и объема. Например, в селфи-палках, где по сути нужно нажать затвор камеры. Или простых беспроводных мышках. Тем более, что

Bluetooth 3

Третья версия вышла в 2009 году и серьезно изменила принципы работы протокола ради серьезного увеличения скорости. Теперь новые модули с поддержкой Bluetooth 3 фактически объединяли две радиосистемы: первая фактически работает в стандарте Bluetooth 2.0 и обеспечивает скорость передачи в 3 Мбит/с, а вторая совместима со стандартом 802.11 и обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с. Фактически это была попытка объединить несколько имеющихся беспроводных технологий в одну, которая проложила путь к действительно прорывной четвертой версии протокола.

Bluetooth 4

Bluetooth четвертого поколения фактически объединили несколько протоколов связи: обычный, высокоскоростной (скорость до 1 Мб/с) и с низким энергопотреблением. Последний из них — Bluetooth Low Energy продвигался как идеальное решение для миниатюрных устройств эпохи интернета вещей, но скорее пригодился при создании гарнитур, беспроводных наушников и фитнес браслетов.

Также в четвертой версии два Bluetooth-устройства смогут устанавливать соединение менее чем за 5 миллисекунд и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а необходимый уровень безопасности обеспечивает 128-битное AES-шифрование. Также в четвертой версии добавилась поддержка первых кодеков aptX для передачи аудио без потерь. Наиболее распространенной сейчас является модификация Bluetooth 4.2, с более сложной и безопасной, чем у первоначальной модификации процедурой установления соединения между устройствами.

Bluetooth 5

В настоящее время актуальной версией Bluetooth является версии 5.0 и 5.1. «Пятерка» была представлена летом 2016 года и отличается увеличенным радиусом действия (до 40 метров в помещении и 200 метров на улице), увеличенной пропускной способностью (в теории может быть 6.25 Мб/с, но на практике получается порядка 2 Мб/с) и сниженным энергопотреблением. Также появилась важная для интернета вещей (IoT) фича последовательного подключения устройств. Данные теперь могут передавать не только напрямую от одного устройства к другому, — например со смартфона умному холодильнику, — но и через сеть посредников, которыми выступают другие умные домашние гаджеты. То, есть, это уже больше похоже не на дорогу с двусторонним движением, а на кольцевую развязку автомагистрали, по которой множество машин движется в десятке разных направлений.

Хотя, все улучшения делались с прицелом на умный дом, больше всего выиграли беспроводные колонки, наушники и другие музыкальные девайсы. Благодаря увеличению скорости передачи данных и использованию новых кодеков качество звука кардинально улучшилось. К примеру, новая версия кодека aptX HD поддерживает 24-битное качество музыки по Bluetooth на частоте до 48 кГц. И еще одно достижение — соотношение сигнал-шум, достигающее 129 дБ, а это уже величина, доступная не на всех современных ЦАПах референсного уровня. Однако даже без поддержки кодеков типа AptX звучат они в разы лучше пускай и не на уровне обычных проводных моделей, но очень близко.

Чуть позже вышла версия 5.1, упор в которой был сделан на работу с определением местоположения. Устройства не только смогут понимать, что они находятся поблизости с Bluetooth-меткой, но и определять направление ее движения. Представьте будущее, в котором «умными» стали даже обычный пульт от ТВ и брелок на ключах. Их пропажа в квартире больше не будет проблемой.

Я покупаю гаджет. Какая версия Bluetooth мне нужна?

Портативная акустика. Здесь пока нет однозначного ответа, многие хорошие модели отлично работают на Bluetooth 4.2, другие на Bluetooth 5.0 могут звучать хуже. Однозначно сказать в чем причина тут никак не получится, так как для качества звука куда важнее исполнение самой колонки. Главное, чтобы версия была не ниже 4.2 так как там скорость передачи будет слабее. А вот расход энергии у новых моделей более экономный. Хотя, тут опять же все зависит скорее от емкости встроенной батареи.

Смарт часы и браслеты. Многие модели 2018 года работают с протоколом 4.2, в то время, как свежие смарт-часы и фитнес-трекеры перешли на протокол пятого поколения. В случае с «пятеркой» первоочередное удобство заключается в автономности и радиусе действия. Смартфон можно бросить в другом конце квартиры и он все равно будет держать прочный контакт с наручным гаджетом. Если, конечно, вы не потомок английского лорда и не живете в огромном особняке с 5 спальнями.

Подробнее о том, чем интересна концепция умного дома, вы можете узнать из нашего материала «Что такое умный дом: функции, виды, составляющие и экосистемы».

Источник

Bluetooth v 2.0/EDR – хорошо доделанное старое

Стандарт нового тысячелетия

C момента своего появления и до последних лет стандарт Bluetooth опережал своё время. Создатель Bluetooth, компания Ericsson, начала свои исследования в области беспроводных интерфейсов для мобильных телефонов ещё в начале девяностых годов прошлого века. В 1998 году Ericsson, совместно с компаниями IBM, Intel, Nokia и Toshiba, выпустил первую спецификацию стандарта Bluetooth 1.0. В первую очередь новый стандарт был призван заменить интерфейсные кабели сотовых телефонов.

Интересно, что в те годы далеко не все пользователи сотовых телефонов понимали, зачем вообще нужен интерфейсный кабель. Было всего два класса устройств, к которым мог быть подключен сотовый телефон. Прежде всего, существовали гарнитуры «hands-free» и системы громкой связи, для которых требовалась двунаправленная передача монофонического аудио среднего качества на расстояние в несколько метров.

Кроме того, существовали персональные компьютеры, с которыми телефон взаимодействовал как электронный органайзер или как внешний модем. Здесь новый стандарт должен был предоставить беспроводную замену последовательному порту (RS-232).

При таких задачах от стандарта Bluetooth не требовались ни скорость передачи данных, ни большая сетевая функциональность, ни большой радиус действия. Предназначенный для мобильных устройств, стандарт должен был обеспечивать низкое энергопотребление, а кроме того, чтобы успешно конкурировать с кабельными соединениями, он должен был быть очень дешёвым в реализации.

Создателей Bluetooth часто обвиняют в слишком медленном выводе их творения на рынок цифровых устройств. Действительно странно, что официально опубликованная в 1998 году спецификация Bluetooth получила широкое распространение только в начале третьего тысячелетия. Однако причины такой задержки следует искать не в медлительности разработчиков стандарта, а в отставании самого рынка. В те годы для Bluetooth просто не было достаточного количества задач.

Тем не менее, основатели стандарта довольно быстро оценили потенциал своего творения. Уже в 1999 году они продемонстрировали своё желание продолжать его совершенствование. Так появилась группа Bluetooth SIG (Special Interest Group). Наряду с пятью основателями в группу вошло довольно много компаний, среди которых были Palm, Microsoft, Motorola, Handspring, Qualcomm и Lucent.

Идея Bluetooth довольно быстро трансформировалась. Новый интерфейс уже не рассматривали как тривиальную замену кабелей сотовых телефонов. Он начал превращаться в универсальный беспроводной интерфейс для персональных сетей, в которые могли входить практически любые устройства. Периодически у стандарта отыскивались недостатки, мешающие воплотить новую концепцию, что служило поводом для выпуска новых версий спецификации с относительно небольшими изменениями и дополнениями. Так появились версии 1.1 и 1.2, которые и в наши дни не имеют конкурентов среди радиоинтерфейсов для персональных сетей.

Почему «2.0/EDR»?

Начавшееся в 2001 и 2002 годах широкое распространение устройств с поддержкой Bluetooth показало, что этот, лучший в своей области стандарт, всё же недостаточно хорош. Что ж, фактически, разработчики Bluetooth 1.x работали опираясь не столько на практические данные, сколько на прогнозы далёкого (по меркам цифровой индустрии) будущего, и предусмотреть всё они просто не могли.

В ноябре 2004 года Bluetooth SIG выпустила спецификацию Bluetooth 2.0+EDR (Enhanced Data Rate). На этот раз практически не было задержки с появлением устройств, поддерживающих новый стандарт. Компании Broadcom, CSR, и RF Micro Devices произвели тестирование прототипов 2.0+EDR и практически сразу же начали серийный выпуск чипов. Однако быстрого вытеснения версий 1.х с рынка не началось.

Первым устройством с поддержкой Bluetooth 2.0+EDR стал не телефон, как можно было предположить, а ноутбук от компании Apple. Bluetooth SIG ожидает повсеместного перехода мобильных телефонов на поддержку нового стандарта не ранее следующего года. При этом, производителей телефонов ожидает значительно больше трудностей, чем было при переходе с версии 1.1 на 1.2.

Появляется закономерный вопрос, относительно того, зачем вообще делали новый стандарт, если он особо никому не нужен, а его предшественник по прежнему вне конкуренции всё из-за тех же дешевизны и бережливости к энергии. На основании чего разработчики надеются на близкий рост популярности версии 2.0?

Таких оснований целых два: выросшие требования к скорости и удобству персональных сетей и желание разработчиков стандарта использовать его не только в персональных сетях.

Кроме того, не стоит забывать, что стандарт Bluetooth 1.х уже сейчас широко применяется не только для персональных сетей, но и для ряда других задач, среди которых многопользовательские локальные сети и сенсорные приложения. В этих областях стандарту Bluetooth 1.х всё труднее конкурировать с другими стандартами беспроводной связи, такими как Wi-Fi и Zigbee.

В таких условиях Bluetooth SIG могла либо подарить будущий рынок конкурентам, либо создать принципиально новый стандарт с отдельным упором на повышение скорости.

Новое в Bluetooth 2.0/EDR

Вкратце рассмотрим те нововведения, которые позволяют разработчикам рассчитывать на рост популярности нового стандарта:

Enhanced Data Rate (EDR)

Скорость в 2,1 Мбит/с предоставляемая новой версией Bluetooth, всё ещё заметно не дотягивает даже до самых медленных беспроводных сетей, но для типичных мультимедийных задач её почти достаточно.

После обещанных в 2002 году 12 Мбит/с цифра 2,1 выглядит более чем скромно. Однако нужно учитывать, что разработчики Bluetooth SIG были сильно ограничены требованиями к энергопотреблению и стоимости, которые были и остаются наиболее приоритетными для данного стандарта.

Отсутствие «прыгающих» частотных каналов.

В Bluetooth версий 1.х связь может осуществляться по одному из 79 частотных каналов. Чтобы избежать помех от других устройств, работающих в том же частотном диапазоне, каналы меняются 1600 раз в секунду. Это достаточно простое решение, а кроме того, в 1998 году такой протокол мог рассматриваться как неплохая аппаратная защита связи от злоумышленников. К неприятным чертам такого механизма относятся более медленная связь и трудности в дальнейшем совершенствовании стандарта.

В версии Bluetooth 2.0 для защиты от помех используется более современный механизм, что позволяет полнее использовать возможности стандарта.

Поддержка Multi-cast

В персональных сетях часто возникает необходимость передать одни и те же данные нескольким устройствам в одно и то же время. Bluetooth 1.х предусматривал многократную передачу этих данных по очереди, для каждого устройства. В один момент в отдельной Bluetooth-сети могло присутствовать только одно передающее и одно принимающее устройство. Это очень затрудняло работу в реальном времени с такими задачами, как совместное прослушивание одного и того же аудио на нескольких Bluetooth-наушниках, или как компьютерные игры с несколькими участниками, синхронизирующимися по Bluetooth. Кроме того, это просто замедляет работу, так как каждый раз надо заново устанавливать связь с очередным устройством, что занимает заметное время.

В Bluetooth 2.0 предусмотрена возможность одновременной отправки нескольким устройствам одних и тех же данных. Эта возможность называется «Multi-cast», она стала возможна благодаря устранению механизма быстрых смен частотных каналов.

Система QoS (quality of service)

При использовании интерфейса Bluetooth для связи с несколькими устройствами одновременно часто возникают нежелательные задержки. Их можно было бы избежать, если бы потоки данных были лучше организованы.

Спецификация Bluetooth 2.0 предусматривает специальный механизм QoS (quality of service), который обеспечивает взаимодействие устройств с минимальным количеством задержек. Устройства, поддерживающие QoS, коммуницируют между собой с целью согласовать свои потребности в немедленной передаче данных и возможности безболезненно справиться с задержкой связи. Таким образом, без повышения реальной скорости передачи данных, удаётся устранить эффект притормаживания, который так раздражает пользователей.

Распределённый контроль доступа к среде

Модель сети в ранних версиях Bluetooth очень проста. Сеть имеет одно главное и от одного до семи подчинённых устройств. Данные могут передаваться только между главным («master») и подчинённым («slave») устройствами. При этом, главное устройство контролирует доступ устройств к среде передачи данных. Если главное устройство по какой-то причине покинет сеть, то остальная сеть не сможет функционировать.

В Bluetooth 2.0 появился новый протокол, который предусматривает распределённый контроль за доступом к среде передачи данных, что избавляет сеть от зависимости от единственного устройства. Как только главное устройство покидает сеть, его функции передаются другому устройству.

Усиленное энергосбережение

Возросшая скорость передачи данных в Bluetooth 2.0 привела к росту потребляемой устройствами мощности. Однако, потребляемая мощность выросла не так сильно, как скорость, поэтому общий расход энергии на передачу одного и того же объёма данных заметно сократился. Для большинства задач имеет место более чем двукратный выигрыш в сбережении энергии.

Более умная организация работы с данными также повлияла на энергопотребление в сторону его сокращения. Так, например, использование одновременной передачи данных нескольким устройствам заметно экономнее, чем передача этих данных каждому устройству отдельно.

Обратная совместимость с предыдущими версиями

Будущее Bluetooth

Новую версию спецификации Bluetooth нельзя назвать окончательной. Прошли те годы, когда этот стандарт мог подолгу не развиваться, оставаясь выше текущих требований рынка. Теперь ему нужны регулярные обновления, чтобы соответствовать времени.

Bluetooth SIG планирует начать выпускать обновлённые спецификации ежегодно и обещает представить очередную версию уже в конце 2005 года. Разумеется, не каждая новая версия будет содержать столько новшеств, как версия 2.0/EDR.

Интересно, что скорость передачи данных больше не заявляется разработчиками стандарта в качестве ближайшей точки приложения их усилий. Значительно больше внимания в их планах уделено совершенствованию возможностей Bluetooth в области более совершенного использования имеющейся скорости, так, например, в 2005 году планируется доработать систему QoS, совершенствовать которую можно практически бесконечно, а в 2006 ожидается доработка системы Multi-Cast.

Кроме того, новые области применения Bluetooth, которых становится всё больше, предъявляют более жёсткие требования к безопасности данных, причём, их трудно даже сформулировать, не зная, куда именно новый стандарт будет распространяться. Пока направлению безопасности будет уделяться внимание в каждой новой версии спецификации стандарта.

Bluetooth и все-все-все

Очевидно, что новые возможности позволят Bluetooth 2.0 в самое ближайшее время вступить в активную конкурентную борьбу с некоторыми из существующих стандартов беспроводной связи. Ожидается также и появление новых стандартов, способных составить Bluetooth серьёзную конкуренцию.

Рассмотрим расстановку сил между Bluetooth и его основными соперниками:

Bluetooth vs. UWB

Быстрая победа одного из стандартов в ближайшее время совершенно нереальна. Пока существуют устройства, которым не принципиальна скорость, но важно низкое энергопотребление или наоборот, оба стандарта будут необходимы. В то же время, не следует ожидать быстрого деления мира устройств для персональных сетей на два несовместимых лагеря, так как довольно распространены устройства, одинаково заинтересованные и в скорости и в энергоэкономичности.

Bluetooth vs. Wi-Fi

Теоретически, стандарты Bluetooth и Wi-Fi предназначены для принципиально разных задач, но развитие мобильной связи и локальных сетей навстречу друг другу вызвало появление областей, где эти стандарты успешно конкурируют.

Прежде всего, это небольшие сети мобильных устройств, предназначенные, например, для игровых и мультимедийных задач. Скорость связи и расстояние, на котором эта связь возможна, являются в таких сетях второстепенными по отношению к экономному расходованию заряда батареи.

Фактически, увеличение скорости, имеющее место в последней версии Bluetooth, позволяет ему полностью вытеснить Wi-Fi из области мобильных сетей, где он только начал появляться. В тех же областях, где Wi-Fi останется конкурентоспособным, его будет выручать прежде всего не скорость, а специфическая «заточенность» под сложные сетевые задачи, и, особенно под интернет.

Bluetooth vs. Zigbee

Конкурирующий стандарт Zigbee, заметно отстающий от Bluetooth по скорости, позволяет сенсорным устройствам работать от одного аккумулятора по несколько лет.

Источник

Изучение функционирования и измерение параметров радиоинтерфейса Bluetooth EDR

Введение

Технология Bluetooth позволяет создавать сети типа «точка-точка» и «точка-многоточка» без необходимости создания строгой беспроводной инфраструктуры. Два или более устройств разделяют один беспроводной канал и объединяются в специальную сеть или пикосеть. С одним устройством, функционирующим как «ведущий» (master), могут активно функционировать в пикосети до семи других устройств или «ведомых» (slave) [1]. Поскольку технология беспроводной передачи данных Bluetooth находит все большее применение в разнообразных потребительских устройствах, появляются приложения, требующие более высоких скоростей передачи данных, такие как потоковое аудио с CD-качеством и передача и печать цифровых изображений. Кроме того, запросы потребителей для устройств беспроводной связи на коротких дистанциях все время повышаются и постепенно приходят к потребности работать с множеством приложений одновременно внутри одной пикосети.

Чтобы удовлетворить запросы потребителей, технология беспроводной передачи данных Bluetooth продолжает развиваться, появляются новые улучшения, позволяющие обеспечить более высокие скорости передачи данных и более долгий срок работы от батарей, которые появились с введением режима EDR — Enhanced Data Rate. Режим Bluetooth EDR представляет собой дополнение физического уровня к основной спецификации ядра [2], которое обеспечивает увеличение эффективной скорости передачи данных от двух до трех раз по сравнению с более ранними версиями при сохранении обратной совместимости. Благодаря более высоким скоростям передачи данных в режиме EDR радиоинтерфейс работает с уменьшенным рабочим циклом, что обеспечивает снижение рассеиваемой мощности и, соответственно, увеличение времени работы от батарей. Режим EDR также позволяет множеству приложений более эффективно использовать доступную полосу пропускания и достигать более высокой суммарной производительности.

Развитие технологии Bluetooth

Системы Bluetooth, как первоначально определялось в версии 1.0 спецификации ядра, функционируют в нелицензируемом диапазоне частот ISM (ISM — Industrial-Scientific-Medical) 2,4 ГГц. Небольшая мощность передачи РЧ-сигнала обеспечивает соединение между устройствами на расстоянии до 10–100 м. Система использует метод FHSS (Frequency Hopped Spread Spectrum — скачкообразное изменение частоты с расширенным спектром). Интенсивность хопов составляет 1600 хопов/с (номинальное значение), давая таким образом, более 79 канальных частот в ISM-диапазоне.

Позднее спецификация ядра была модифицирована (версия 1.2) с введением AFH (Adaptive Frequency Hopping — адаптивное скачкообразное изменение частоты). Одной из причин для такого изменения были проблемы взаимной интерференции, возникающей между устройствами Bluetooth и 802.11b/g WLAN. Используя AFH, система Bluetooth способна измерять помехи и избегать тех частотных каналов, которые могут привести к снижению производительности системы. Система может корректировать число используемых каналов от 79 до 20, в зависимости от необходимости [3]. Реализованные в версии 1.2 улучшения функции опроса и страничной работы (paging operations) обеспечивают время подключения менее 0,5 с в сравнении с 4–5 с в устройствах, совместимых с версией 1.0. Дополнительные улучшения имеют место в качестве соединения, используя повторную передачу данных при возникновении ошибок и улучшенное управление потоком данных посредством введения новых типов пакетов, расширяющих функциональность устройств версии 1.2 при сохранении обратной совместимости со спецификацией 1.0.

Спецификация ядра была недавно обновлена для включения режимов более высоких скоростей передачи данных с введением EDR в версии 2.0 (v2.0+EDR) [2]. Эта последняя спецификация имеет все функциональные характеристики версии 1.2 с дополнением двух новых схем модуляции, введенных в секцию полезной нагрузки пакета. Эти типы пакетов EDR обеспечивают максимальные скорости передачи данных вплоть до 2 и 3 Мбит/с. Увеличение в пиковой скорости передачи данных выше базовой скорости 1 Мбит/с достигается применением DPSK (Differential Phase Shift Keying — относительная фазовая манипуляция), благодаря чему число передаваемых в символе бит увеличивается в два-три раза. Чтобы обеспечить обратную совместимость с версией 1.2 и одновременную работу радиоинтерфейса 1.2 и 2.0+EDR в одной пикосети, все устройства используют одинаковый код доступа, заголовок и схему скачкообразного изменения частоты.

Структура пакета и формат модуляции

Системы Bluetooth используют схему TDD (Time Division Duplexing — дуплексирование с временным разделением), где физический канал разделяется на временные слоты. Все пакеты содержат код доступа, заголовок и полезные данные. Код доступа используется для синхронизации, компенсации DC-смещения и идентификации пакетов в физическом канале. Коды доступа также используются в операциях разбиения на страницы, запросах и операциях паркинга в системах Bluetooth. Заголовок содержит управляющую соединением информацию, которая включает и тип пакета. Полезная нагрузка содержит голос и данные, а также может содержать управляющую информацию или сведения для коррекции ошибок (в зависимости от типа передаваемого пакета).

Чтобы обеспечить обратную совместимость с более ранними версиями спецификации ядра, код доступа и заголовочная информация модулируются на РЧ-несущую методом GFSK (Gaussian frequency shift keying — гауссовская частотная манипуляция). Схема модуляции GFSK обеспечивает максимальную скорость передачи данных 1 Мбит/с модуляцией одного бита на символ, что дает в результате символьную скорость 1*106 символов/с. Данные модулируются с помощью сдвига или девиации частоты несущей минимум на 115 кГц. Логическая 1 представляется как положительное отклонение частоты, а логический 0 представляется как отрицательное отклонение частоты. Вид модуляции в порции полезной нагрузки общего пакета — также GFSK. Общий пакет сейчас представляется как базовый пакет в v2.0+EDR, чтобы получить схему 1 Мбит/с GFSK из двух форматов пакетов EDR с более высокой скоростью передачи данных. Модулированный GFSK-сигнал использует гауссовское формирование импульсов, чтобы обеспечить спектральную плотность с поддержанием значения 20 дБ для всей ширины полосы пропускания 1 МГц.

Рис. 1. Зависимость мощности от времени для пакета EDR, показаны части модуляции пакета GFSK и 8DPSK

В результате изменения модуляции пакета EDR для синхронизации в новом формате модуляции требуются дополнительная временная и управляющая информация. Следующий заголовок в пакете EDR является кратковременным периодом, который дает устройству Bluetooth время, чтобы подготовиться к изменению формата модуляции на DPSK. Этот короткий промежуток времени или «защитный временной интервал» находится между 4,75 мкс и 5,2 мкс. Защитный интервал следует за синхронизирующей последовательностью, которая содержит один опорный символ и 10 символов DPSK. Эта последовательность требуется для синхронизации времени символа и фазы для одного из двух типов модуляции, использующихся в пакете EDR. Рис. 2 показывает измерение амплитуды в зависимости от времени для пакета EDR в течение времени, когда модуляция изменяется с GFSK на 8DPSK. Этот рисунок показывает защитное время 5 мкс и 11 синхронизирующих бит в начале полезной нагрузки EDR.

Рис. 2. Зависимость мощности сигнала от времени, показан переход между схемами модуляции GFSK и 8DPSK

Дифференциально декодированный фазомодулированный сигнал, используемый в режиме EDR, может быть демодулирован без оценки фазы несущей. В этом случае принятый сигнал сравнивается с фазой предыдущего символа [4]. Формат модуляции относительного кодирования, определенный для передачи 2 Мбит/с, является π/4-DQPSK. Созвездие π/4- DQPSK может быть представлено как суперпозиция двух QPSK-создвездий, смещенных на 45° друг относительно друга. Фазы символа попеременно выделяются из созвездия QPSK от одного к другому для каждого символьного периода. В результате, следующие символы имеют относительный сдвиг фаз, который равен одному из четырех углов:0; ±π/4; ±π/2; ±3π/4; π. Переход символа от одного созвездия к другому всегда гарантирует, что имеется изменение фазы между символами, упрощающее восстановление тактовой синхронизации [4]. На рис. 3 показано созвездие π/4-DQPSK для части пакета EDR. Этот рисунок показывает измерение большого числа символов, дающих в результате восемь желаемых точек созвездий. Отметим, что в течение периода любого одного символа доступны только четыре точки созвездия или переходов, что дает в результате передачу два бита на символ. Этот рисунок показывает комбинацию двух раздельных созвездий QPSK, сдвинутых на 45 градусов, помеченных как A, B, C и D для одного созвездия и 1, 2, 3 и 4 для другого.

Рис. 3. Измерение параметров созвездия для полезной нагрузки EDR при модуляции π/4-DQPSK

Второй формат модуляции EDR определен для передачи со скоростью 3 Мбит/с — это 8DPSK. Достигается дальнейшее увеличение скорости передачи данных через четыре точки созвездия для каждого символа. В сумме восемь точек созвездия позволяют делать передачу трех бит на символ, давая в результате улучшение в скорости передачи данных в три раза по сравнению со схемой модуляции GFSK. Этот тип модуляции имеет множество преимуществ, как π/4-DQPSK, включая использование некогерентных схем модуляции. Демодуляция 8DPSK происходит оценкой относительной разности фаз последующих символов, давая в результате углы 0, ±π/4, ±π/2, ±3π π/4 и π. Как все восемь точек созвездия или переходы, доступные между символами, могут быть переданы три бита данных на символ. Увеличение в скорости передачи данных приходит без неприятностей, так как модулированный 8DPSK сигнал является более чувствительным к шуму благодаря меньшему расстоянию между точками созвездия, в сравнении с сигналами π/4-DQPSK.

Технология измерения EDR и контрольный пример

С введением EDR в спецификацию ядра Bluetooth были добавлены дополнительные специфические для EDR тесты радиочастотного уровня, методики измерения и спецификация (TSS/TP) [5]. Новые тесты позволяют осуществлять предварительное измерение параметров устройств Bluetooth во время работы, что может быть весьма полезным во время начальных этапов разработки радиоинтерфейса. Специфические для интерфейса EDR измерения для передатчиков включают относительную мощность передачи, стабильность частоты несущей, точность модуляции и относительное фазовое кодирование. Специфические измерения EDR для Bluetooth-приемников включают чувствительность, частоту появления (коэффициент) ошибок (BER — Bit Error Rate) и максимальный входной уровень.

Пример EDR-передатчика

Измерение относительной мощности передачи EDR предназначено для проверки различия между средней мощностью передачи в течение модуляции GFSK и того, что средняя мощность передачи во время модуляции DPSK находится внутри указанного диапазона +4 дБ…–1 дБ. Относительная мощность вычисляется из разности среднего измерения мощности, полученного на 80 % порции GFSK пакета для среднего измерения мощности, полученного на 80 % порции DPSK. На рис. 4 показаны результаты относительного измерения мощности сигнала EDR при модуляции N π/4-DQPSK с радиочастотной несущей в средней частоте диапазона 2441 МГц. Как показано на рис. 4, измерение средней мощности для форм сигналов GFSK и N π/4-DQPSK равно –14,4 дБ и –16,22 дБ соответственно. Относительная мощность передачи рассчитана как +1,82 дБ и находится внутри указанного диапазона –1…+4 дБ.

Рис. 4. Измерение параметров пакета EDR с модуляцией π/4-DQPSK

Измерение стабильности несущей частоты EDR начинается с определения начальной ошибки центральной частоты в заголовке GFSK. Отклонения частоты в битах логической 1 и битах логического 0 измеряются и представляются как ωi (ωI = [Δω1+Δω2] / 2). Начальная ошибка частоты рассчитывается между ±75 кГц. Частотная ошибка в части EDR-пакета корректируется при использовании этой начальной частотной ошибки, ωi. Корректированная форма сигнала затем разделяется на 200 блоков по 50 символов длиной. Оставшаяся частотная ошибка в каждом блоке представляется как ω0. Наихудший блок частотной ошибки, ω0, задан в диапазоне между ±75 кГц. Это значение представляет максимальное отклонение (размах) ошибки частоты, которое включает начальную ошибку в коде доступа и уход частоты, который может происходить в измеряемых блоках. Рис. 4 показывает частотную стабильность формы сигнала EDR. Здесь стабильность начальной частоты измерена как –5,997 кГц, блок ошибки частоты – 0,857 кГц и объединенная частотная ошибка как –6,854 кГц. Все эти измеренные значения, как видно, находятся в пределах допустимых внутри требуемых спецификацией полей допуска.

Измерения точности модуляции EDR определяют качество дифференциальной модуляции и предназначены, чтобы обнаружить ошибки, которые могут вызывать проблемы в реальном дифференциальном приемнике. Точность модуляции проверяется измерением дифференциального амплитудного вектора (DEVM — Differential Error Vector Magnitude), которое аналогично традиционному измерению амплитуды вектора ошибки, применяемому в других телекоммуникационных системах [6]. DEVM определяется как амплитуда ошибки между двумя принятыми сигналами, одного пробельного символа отдельно по времени. Измерение DEVM передает синхронизирующую последовательность и полезную нагрузку 200 блоков по 50 символов в каждом блоке. Точность модуляции представляется как три значения, 99 % DEVM, среднеквадратическое DEVM (RMS DEVM) и пиковое DEVM (Peak DEVM) [1]. Рис. 4 показывает точность модуляции для измеренной формы сигнала EDR, используя модуляцию π/4-DQPSK. Значения 99 % DEVM, среднеквадратического DEVM и пикового DEVM для этого сигнала измерены, представлены в процентах и равны 10,24 %, 11,57 % и 5,5 % соответственно. Как показано на рисунке, все измеренные значения DEVM для этой формы сигнала находятся внутри требуемых спецификацией.

Тест кодирования дифференциальных фаз проверяет функционирование дифференциального модулятора PSK, используемого передатчиком. Для полезной нагрузки EDR модулятор требует корректного отображения потока бинарных данных в набор указанных фазовых углов в комплексной плоскости. Полезная нагрузка EDR модулируется последовательностью PRBS9, и измерение частоты появления ошибок осуществляется через 100 пакетов. Указано, что 99 % пакетов должны приниматься без битовых ошибок, или другими словами, этот коэффициент ошибок меньше, чем один процент. Рис. 4 показывает измеренный коэффициент ошибок для сигнала EDR, равный 0 % (то есть не было найдено никаких ошибок).

Примеры тестирования приемника EDR

Тестирование приемника Bluetooth EDR требует измерения производительности BER, используя тестовые сигналы, содержащие множество частотных и временных искажений. Все измерения параметров BER приемников рассчитываются для более 16 000 000 бит сравнением принятых данных с оригинальной последовательностью PRBS9, переданной тестовым источником или измерительным оборудованием.

Чувствительность EDR измеряется с помощью трех групп по 20 пакетов, искаженных различными временными ошибками и частотными смещениями (сдвигами) [5]. Первая группа пакетов не содержит искажений (ухудшений). Вторая группа пакетов содержит смещение несущей частоты +65 кГц и символьную временную ошибку +20 ppm. Третья группа пакетов содержит смещение несущей частоты –65 кГц и символьную временную ошибку –20 ppm. Качество приемника BER должно быть быть 10 –4 при таких условиях измерений.

Измерения максимального входного уровня EDR показывают параметры BER приемника при условиях, когда уровень входного сигнала равен –20 дБм. Этот тест показывает качество приемника под действием возможных искажений во внешнем интерфейсе, когда имеют место большие уровни входной мощности. Параметр BER указан как 10 —3 при этом уровне входной мощности.

Выводы

Необходимость в более высоких скоростях передачи данных и улучшения рассеиваемой мощности, требуемые в портативных мультимедиа потребительских приложениях предполагают переход к технологии Bluetooth EDR. Развитие EDR будет обеспечивать множество сценариев, где многочисленные беспроводные устройства одновременно функционируют в одной пикосети. Кроме того, ожидаются новые портативные устройства, которые сочетают несколько беспроводных интерфейсов, такие как GPRS и WiFi с Bluetooth EDR для того, чтобы обеспечить одновременое и однородное соединение через множество типов сетей.

Источник