以Qt/Embedded為基礎之網路伺服器設計

藍芽裝置性能量測與分析

The Measurement and Analysis on the Performance of a Bluetooth Device

摘要

藍芽技術是研究在行動電話和其他配件間進行低功耗、低成本無線通訊連線

的方法。空氣中的最大干擾源為無線區域網路的相互干擾問題。當干擾發生時會

大大的降低藍芽的資料傳送速率，並且導致資料內容錯誤率的升高。情況嚴重時

就必須重新傳送封包，造成使用上非常不方便。所以尋求提升藍芽系統的可靠度便越顯重要。天線本身功能良好才可使得藍芽傳輸資料功能能夠正常運作，資料的錯誤率就會保持非常低，避免傳輸失敗並須重新傳送封包的情況發生。本文之目的旨在研究藍牙模組置於筆記型電腦內部時，良好的天線設計可使得傳輸特性良好，進而可提升藍牙系統的可靠度。

關鍵詞：藍芽、無線區域網路、天線

Abstract

Bluetooth technique is one of the ways which research for low power

consumption, low cost wireless communication in mobile phone and other devices.The biggest noise source in the air is wireless LAN coexistence noisy problem. Whenthe noise happened that will decrease a lot of Bluetooth data throughput rate andincrease Bluetooth data fail rate. If the noisy problems become large then Bluetoothhave to resend package. It makes user hard to using Bluetooth technique. So research for increase Bluetooth technique stability becoming important. Antenna must do a

great job to keep Bluetooth data transmission going normally, data fail rate very lowand avoid data transmission fail. The purpose of this paper is at studying and measuring when the bluetooth module put within the notebook. We can get high transmit performance for good antenna design , and then can improve the reliability of the bluetooth system.

Keywords：Bluetooth, Wireless Local Area Network, antenna

一、 前言

藍芽是一種先進的近距離無線通信技術，在免執照的2.4 GHz工業、科學和醫療（Industrial Scientific Medical;ISM）無線電頻段內運作，具有低成本、低功耗、抗干擾性能好和組網方便等突出優點，日益成為無線感測器網路的首選通信方式。當網路中節點較多時，需要一種高效能的拓撲構造演算法將這些節點組成多個微網路( (Piconet)，再通過橋節點將微網路連接以形成一個藍芽分散網(Scatternet) 。藍芽(Bluetooth)是針對無線個人網路(Wireless Personal Area Network, WPAN)所制定的一個開放式規格，主要為提供現有行動通訊產品與資訊產品，在有限的範圍來傳輸聲音及資料，並免除了使用者對纜線使用的需求[1~16]。

藍芽系統為低功率RF傳輸可在不同的裝置間提供通信，傳輸距離可達10到100公尺。透過Bluetooth系統，不需要正式的無線基礎建設，便可讓多達8個裝置形成一個特殊網路。為減輕干擾和衰減，藍芽無線技術採跳頻擴頻（FHSS）操作。FHSS也有助於藍芽系統的多重存取及與其他類型的無線系統並存。基本的跳頻模式為ISM頻段內79個通道頻率的偽隨機排序。在藍芽系統採用適應性跳頻（adaptive frequency hopping；AFH）之後，可以避開遭受已受干擾的通道而使效能大幅提升。跳頻速率的公稱值為每秒1600次。

藍芽個人區域網路的概念也已經擴展到汽車通訊領域。車用通訊系統（Telematics）在汽車使用經驗中整合了無線通訊、自動駕駛、遠端診斷和GPS導航。根據研究顯示有20%到30%的手機用戶會在開車時講電話。汽車製造商不再需要將行動電話直接安裝在汽車內，只要使用Bluetooth無線連接，汽車的語音系統就能透過無線鏈路連接到使用者選擇的行動手機。

本文以藍芽模組置於筆記型電腦內部，對天線之傳送特性，及兩組藍牙裝置於傳送端與接收端形成的傳輸角度，對資料流量造成的損益，都有所探討。由此，可以幫助藍芽工程師在設計天線與Layout工程師和機構工程師在製作藍芽模組或藍牙裝置時提供參考。

二、開發流程中之技術規格

2.1藍芽射頻特性

藍芽系統使用的調變技術是兩階層移頻鍵控(2FSK)，此為數位調變形式，其調變方式為利用調變載波偏移兩個頻率來代表訊號的「1」與「0」，2階層的移頻鍵控其資料的每一位元即代表一個符碼。不同於其他的數位調變形式，振幅與相位在其調變架構中並不是它最主要的考量。  

藍芽的傳輸方式採用展頻技術中的跳頻，再搭配先前所提的FSK調變並使用分時雙工(Time Division Duplex，TDD)技術，其中主控者(Master)傳送在偶數時槽，而被動者(Slave)則傳送在奇數時槽。 

藍芽傳送的封包中包含了一個存取碼(access code)，一個起始碼(header)與載送資料(payload)，如圖1所示，但是並不是藍芽全部的封包皆必須具備這三部分。其中存取碼包含一個前文(preamble)、一個同步文字 (sync word)與一個隨選的結尾碼(optional trailer)，封包長度可能會延伸至1個、3個、5個時槽。起始碼包含藍芽裝置位址與封包的資訊，載送資料則送是使用者的聲音或資料的資訊。

圖1 封包可分Access Code, Header, and Payload 三部分

2.2適應性跳頻技術(Adaptive Frequency Hopping, AFH)  

  今日藍芽裝置使用每秒1600次的跳頻速度在2.4GHz頻帶中的79個通道，而AFH技術讓其在跳頻前，先會量測通道品質，因此可以避免一些干擾訊號，使得藍芽裝置不會與無線電話、微波爐或支援IEEE802.11b以及802.11g的無線區域網路等，共用2.4GHz頻帶的無線技術發生干擾。  

2.3延伸的SCO鏈路(E-SCO)  

一般來說，語音的傳輸是沒有重傳的機制，因此當語音包有錯誤而錯誤更正機制無法更正錯誤時，語音的品質就變差。1.2版為加強語音的品質，提供新的連結鏈路(E-SCO)，與新型態的封包結構(EV3，EV4，EV5)，讓接收端當檢查到語音的封包有錯誤時，可採用重傳技術要求發射端再次將其封包重送，使得其在雜訊大的環境中可以提高語音傳輸的品質。

2.4快速同步  

在藍芽1.1版中，2個藍芽裝置從閒置到建立連結要花費很長的時間。在1.2版中改變了建立連結的參數與程序及一些協定架構，使得同步的時間縮短，進而讓建立連結的時間可以在1秒內，達到快速連接到藍芽裝置的目的。  

2.5天線

大多數藍芽手持設備均需要能以球狀模式發射訊號並連接各個方向的天線。良好的天線設計對藍芽產品至關重要，選擇外部天線的設計必須考慮控制板空間、成本和天線模式。此外，附屬元件、外殼、離地距離等因素也將對天線的終極性能產生重要影響。

如果選擇不帶天線的模組，無線鏈路同天線之間的饋送不匹配，那麼訊號將反射回電路，從而導致嚴重的訊號強度損耗。[17~18]

2.6調變技術

藍牙裝置之調變技術是採用 GFSK ( Gaussian Frequency Shift Keying ) 調變方式.傳輸速率 ( Transfer Rate ) 定為 1Mbps,而實際資料有效速率最高可達 721kbps.於語音的傳輸是採用 CVSD ( Continuous Variable Slope Delta-Modulation ) 技術,通訊協定則是採用分時多工 ( TDMA ) 協定技術。

三、 研究方法

3.1.藍芽(Bluetooth)技術介紹

3.1.1 藍芽的系統架構

藍芽的系統架構可以分為四種層級，分別是 RF 及基頻、連結管理及L2CAP、主機控制介面及應用程式架構及支援。其中在最上層的應用程式架構及支援的部分，藍芽特別針對不同的用途，不同的藍芽設備設計不同的通訊協定樣板(Profiles)。例如序列埠樣板(Serial-Port profile)是模擬傳統的COM 埠以替代印表機與PC 的連接線；撥號網路樣板(Dial-up-Networking profile, DUN)則是為了建立裝置間的撥接連線。藍芽1.1 版本的樣板就超過十種以上，廠商是根據其設計的理念與需求選擇所需的樣板，所以並不是所有的樣板都會被採用。除此之外，藍芽主從式(Master- Slave)的網路架構，讓一個Host裝置(如PC)可與另外七個裝置以一對多的方式，針對不同附屬裝置的特性及功能形成微網路(Piconet)架構的連結；與WLAN 的技術僅提供資料的連結，有明顯的差異。

3.1.2 藍芽短距離的傳輸技術的重點特色

1. 2.4 GHz ISM頻段(Band)的無線射頻(RF)收發系統。

2.跳頻Frequency Hopping (跳頻頻率達 1600 hops/sec)。

3.展頻技術 (Spread Spectrum technology)。

4.支援Time Division Duplex (TDD)的雙向通訊傳輸 (Bi-direction communication)。

5. 三種功率等級(Power Class):其特性如下表1。

表1: 藍牙功率分級 (Power Class)

功率等級

Class 1

Class 2

Class 3

功率

10mW

25mw

100mW

傳輸距離

10m

20~25m

100m

3.2 藍芽的協定階層(Protocol stack)

藍芽技術的協定階層如圖2所示，以下就針對主要的協定作簡單的描述。

圖2 Bluetooth 通訊協定階層

Bluetooth Radio：

主要是規範藍芽裝置的發射頻率，調變/解調變（Modulation/De-modulation）

方式，及功率發射的限制等等。

Baseband：

負責封包的編碼與解碼、跳頻的選擇、連線的建立、及加密與解密等工作。

LMP（Link Manager Protocol）：

當數個藍芽裝置形成一個小型的區域網路時，LMP 就要負責維持與中斷鏈

路的管理、鏈路的參數設定、及安全機制。

HCI（Host Controller Interface）：

現有的資訊設備若要具有藍芽功能，就必須與藍芽模組相連接，此時就需要

HCI 來擔任資訊設備與藍芽模組彼此間相互溝通的橋樑。HCI 主要是定義出主機（Host）控制藍芽模組的各個指令意義及型態。

L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）：

主要負責兩個藍芽裝置間，彼此間擬傳遞之數據資料的分段及重組（Segment

and Reassembly），協定多工（Protocol Multiplexing）及服務品質（Quality of

Service。

RFCOMM：

主要是用來介面轉換成傳統RS232 串列埠內的控制與資料的信號。

SDP（Service Discovery Protocol）：

搜尋目前所在之網路中可用的服務，及這些服務特性的一種控制機制。

TCS Binary（Telephone Control protocol Specification）：

定義藍芽裝置間建立語音和資料呼叫所需的控制指令，使藍芽裝置能與傳統

的電話相互結合。

3.3 錯誤控制

藍芽技術運作的頻段是在全世界共通頻率ISM 2.4GHz 上，使用其中的某個

頻帶都會遇到不可預測的干擾源，所以利用錯誤控制(Error Control)來避免傳送封

包被干擾，為此藍芽封包提供了HEC、FEC、CRC、ARQ 及Whitening 等方法，

針對封包標頭及酬載進行錯誤偵測及錯誤更正的工作。

3.4 測試模式

藍芽技術提供的測試範例共涵蓋三個方面，分別為：最底層的Radio、中間

層的通訊協定(Protocol)、與到最高層的Profile 三個方面的測試。此章節就是描述最底層的Radio，主要在驗證RF 無線電波是否符合藍芽標準規範，以確保接受測試的產品能與其他的藍芽設備進行第一步的聯繫，建立起最底層的實體通道。

於測試模式中，Piconet 只有兩個藍芽裝置：測試器(Master)與待測藍芽裝置

(Slave)，測試器負責進入測試模式的啟動及控制。

四、實驗與數據

4.1. 藍芽天線傳輸之量測

Bluetooth在2.4GHz的電波干擾問題一直為大家所詬病，特別和無線區域網路間的互相干擾問題。無線網路技術的發展也已經成熟，幾乎在大都會的每個角落都可以被無線網路所涵蓋。因此使用藍芽時不可避免的會有來自環境的干擾。當干擾發生時會大大的降低藍芽的資料傳送速率，並且導致資料內容錯誤率的升高。情況嚴重時就必須重新傳送封包，造成使用上非常不方便，所以尋求方法提升藍牙系統的可靠度便越顯重要。

本文先經由測試藍芽模組的天線，來了解藍芽天線受到的干擾情況，如圖3是為經由網路分析儀(NA)分析效能受影響而表現不佳的藍芽模組天線特性。

圖3 效能不佳之天線特性

上圖3中藍芽的工作頻率標記1是為2.48GHz測得之數值為-13.672dB，標記2是為2.44GHz測得之數值為-17.478dB，標記3是為2.4GHz測得之數值為-9.0756dB。表二為圖3的藍牙模組天線測試結果與數據。

表二 圖3的藍牙模組天線測試結果與數據

10m ( Kbits/sec)

接收

0度角

648

90度角

583

180度角

652

270度角

650

傳輸

0度角

791

90度角

382

180度角

659

270度角

768

測試過程中可知此藍芽模組的天線效能不佳,導致多次的連線失敗和傳輸失敗,使得此藍牙模組在使用上難以令人接受。

經過調整藍芽晶片模組於裝置中的位置。並且在經過NA驗證藍牙模組天線的效能,以確保藍芽模組較佳的天線特性。如圖4所示:

圖4 效能良好之天線特性

上圖4中藍芽的工作頻率標記1是為2.48GHz測得之數值為-11.864dB，標記2是為2.44GHz測得之數值為-24.768dB，標記3是為2.4GHz測得之數值為-11.402dB。由圖4中可看出藍芽工作頻率的中間頻率2.44GHz能夠發出較好的藍芽訊號，因此，將以此藍芽模組在室內進行藍芽天線傳送端與藍牙天線接收端的測試。

4.2.裝置連線之測試

(1)測試方法如下圖5所示：使用兩台筆記型電腦在藍芽class 1 規範中的10公尺距離處做測試。測試時間:60s，測試角度:零度角。

圖5 0度角接收

(2)測試方法如下圖6所示：使用兩台筆記型電腦在藍牙class 1 規範中的10公尺距離處做測試。測試時間:60s，測試角度:九十度角。

圖6 90度角接收

(3)測試方法如下圖7所示：使用兩台筆記型電腦在藍牙class 1 規範中的10公尺距離處做測試。測試時間:60s，測試角度:一百八十度角。

圖7 180度角接收

(4)測試方法如下圖8所示：使用兩台筆記型電腦在藍牙class 1 規範中的10公尺距離處做測試。測試時間:60s，測試角度:兩百七十度角。

圖8 270度角接收

經過調整之後的藍芽模組的天線工作效能，其測試結果與數據如表三所示:

表三:調整後之藍芽模組天線效能數據

10m ( Kbits/sec)

接收

0度角

823

90度角

784

180度角

759

270度角

854

傳輸

0度角

828

90度角

826

180度角

791

270度角

846

從表二及表三可看出修正後天線特性，藍牙模組的傳輸性能約有25%左右的提昇。而藍芽在連線的功能減少了等待的時間,檔案傳輸的失敗情況也不再發生。

五、結論

藍芽主要目標是為了提供一個通行全世界的無線傳輸環境,連結所有的行動設備之間的資料傳輸服務.這些行動設備包括有行動電話手機( Mobile Phone ),無線電話 ( Cordless Phone ) ,筆記型電腦 ( Notebook) ,個人數位密書 ( PDA ) ,數位相機 ( Digital cameras ) ,印表機 ( Printer ) ,區域網路 ( Network ) 等,皆可透過藍芽系統的無線電波來互相連結與交換資料.隨著網際網路應用的蓬勃發展,整合無線通訊與網際網路的應用技術已成為未來相當重要的課題.

本實驗測試地點為建築物內的開放空間，樑牆距離測量物均有足夠的空間，不至於造成阻礙電磁波的障礙物，也不會成為電磁波的反射物。故空氣中的最大干擾源為無線區域網路的相互干擾問題。由實驗中得出的數據可知，此干擾影響藍芽的傳輸功能可謂既深且巨，只有天線本身特性良好才可使得藍芽傳輸資料功能能夠正常運作。因此，資料的錯誤率保持非常低，且避免傳輸失敗並須重傳封包的情況發生。由本文得知藍芽模組置於筆記型電腦內部位置時，對於天線傳送特性的影響，與集兩組藍芽裝置傳送端與接收端形成的傳輸角度對於資料流量的損益。由此可以幫助藍芽工程師在設計天線與Layout工程師和機構工程師在製作藍芽模組或藍芽裝置時的有力參考依據。

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