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从Bluetooth BR / EDR到BLE再到Bluetooth 5，Bluetooth无线通信技术经历了众多变体，可以满足不同的需求。它们之间到底有什么区别？
随着越来越多的消费者要求能在不依赖插头和电缆的情况下发送和接收数据，无线通信已成为电子产品不可或缺的组成部分。Bluetooth便是最流行的无线通信协议之一。
在许多其他应用程序中，Bluetooth已嵌入汽车中，因此用户可以通过智能手机在汽车立体声系统上播放自己喜欢的音乐。智能家居安全的新领域利用Bluetooth允许个人执行诸如用手机锁定和解锁前门之类的任务。Bluetooth还可以用于在平板电脑和计算机之间发送文件，将健身跟踪器的更新发送到计算机或电话等。
图1描绘了两种常见的支持Bluetooth的设备：智能手机和笔记本电脑。
1.借助Bluetooth协议，我们可以发送和接收数据，而无需纠缠电线。
所有这些不同的应用程序都笼统地称为Bluetooth，但是令人惊讶的是，并非所有的应用程序都使用相同的无线协议。一些使用Bluetooth Low Energy (BLE低功耗蓝牙),而其他一些则使用Bluetooth Basic Rate/Enhanced Data Rate (Bluetooth BR/EDR)，较新的应用程序甚至有可能使用Bluetooth 5。
大多数人不知道Bluetooth BR / EDR和BLE之间的区别，也不知道两者中哪一个最适合其特定应用。Bluetooth 5的引入使事情变得更加混乱，Bluetooth 5进一步模糊了这些协议之间的界限。本文旨在解释BLE与Bluetooth BR / EDR的不同之处，以及Bluetooth 5与BLE，Bluetooth BR / EDR之间的关系，本文还将帮助您确定最适合您的应用程序的版本。
历史
为了更好地了解Bluetooth BR / EDR和BLE的区别，重要的是检查这些无线技术的历史。它们每个都是由管理所有Bluetooth协议的Bluetooth特别兴趣小组（Bluetooth SIG）开发的。随着开发的发展，Bluetooth SIG发布了新的规范以引入改进。图2中的时间线显示了已发布的Bluetooth规范，并且Bluetooth BR，Bluetooth EDR，BLE和Bluetooth 5在这些规范之内。
2.时间轴显示了多年来的每个Bluetooth规范版本。
Bluetooth BR / EDR
Bluetooth BR是Bluetooth SIG发布发布的第一个Bluetooth协议。它采用一种独特的方法，即使用高斯频移键控（GFSK）来交换2.4 GHz ISM频段内的数据。选择该频段是因为与大多数频段不同，在其中运行不需要许可证，因此通信是免费的。Bluetooth BR之所以迅速普及，是因为它提供了一种低成本，低功耗的方式，可以在短范围内以高达0.7 Mb / s的数据速率无线发送和接收数据。
几年后，发布了新规范Bluetooth 2.0，其中包括Bluetooth EDR选项。Bluetooth EDR可使数据传输速度比Bluetooth BR快2至3倍。这是因为它与GFSK一起使用差分正交相移键控（QDPSK）和差分8级相移键控（8DPSK）。GFSK每个符号传输一位，而QDPSK每个符号传输两位，而8DPSK每个符号传输3位。
BLE
BLE最初开发时，实际上甚至根本没有Bluetooth这个东西！它是诺基亚开发的一种称为Wibree的无线技术。它的设计消耗的功率很小（成本非常低且易于配置），使其成为使用小电池运行的设备的理想解决方案。
Wibree包括许多与Bluetooth BR / EDR相似的技术，包括在2.4 GHz ISM频段中的操作，GFSK调制，信道方案和跳频。两者之间的相似之处导致Bluetooth SIG将Wibree纳入其规范。它作为称为Bluetooth Low Energy（BLE）扩展发布。BLE在Bluetooth 4.0规范中首次亮相。
Bluetooth 4.0并没有完全淘汰Bluetooth BR / EDR，而是除了Bluetooth BR / EDR之外还提供了BLE。具有BLE的消费类设备通常被标记为Bluetooth Smart，而Bluetooth BR / EDR被标记为Bluetooth classic。但是，这些术语不再用于区分每种协议。在此规范下，可以将无线电开发为仅支持Bluetooth BD / EDR的无线电，仅允许BLE的无线电，或同时支持Bluetooth BR / EDR和BLE的双无线电。
Bluetooth 5
Bluetooth SIG尽最大努力做出与技术发展相适应的改进，而物联网（IoT）似乎是推动电子技术发展的关键因素之一。BLE在物联网的发展中发挥了重要作用，但Bluetooth SIG希望进一步增强Bluetooth在物联网应用中的功能。Bluetooth 5.0中发布了对原始BLE技术的新改进，该技术被称为Bluetooth 5。
Bluetooth BR/EDR vs. BLE
让我们比较一下Bluetooth BR / EDR和BLE之间的异同。首先我们从协议的物理层（PHY）来比较，PHY是包含用于调制和解调模拟信号并将其转换为数字符号的电路。PHY的差异是使每种协议都针对特定应用的因素之一。区分BR / EDR和BLE PHY不同的四个方面是信道方案，功耗，等待时间和吞吐量。
信道方案
Bluetooth BR / EDR和BLE都在2.4 GHz ISM频段内通信，但是它们划分频段的通道数量有所不同。Bluetooth BR / EDR将频段分为79个通道，彼此间隔1 MHz。BLE采用了更简单的发射器和接收器，因此它将频带划分为仅40个间隔2 MHz的信道。
无论使用多少通道，Bluetooth BR / EDR和BLE都必须处理的一件事是干扰。2.4 GHz ISM频段充满了发射机，充分利用了免许可频段。为了将干扰降到最低，Bluetooth BR / EDR和BLE均采用跳频，其中无线电在跳至另一信道以继续通信之前，会在一个信道上运行一小段时间。
BLE还为其通道方案添加了另一个元素。BLE保留了三个通道供BLE无线电通告它想要被发现。。从策略上选择了这三个广告频道的频率，以使它们不会干扰同样在2.4 GHz ISM频段运行的三个最常用的Wi-Fi频道。建立连接后，无线电将继续在其他37个频道之一上进行通信。
图3 BLE的信道方案
功耗
节能是Bluetooth BR / EDR和BLE的主要区别-BLE的名称具有「低能耗」这一事实就显而易见了！Bluetooth BR / EDR使用最大输出功率100 mW来传输数据，最大传输距离约为10至100 m。在大多数设备可以经常充电的日子里，这很好。但是，随着可能需要数月或数年不使用电池电源而无法充电的产品的需求增加，这种类型的输出功率将无法满足需求，因为它将很快耗尽电池电量。
BLE提供了完美的解决方案。它仅在需要发送或接收数据的情况下才打开发射机和接收机，从而减少了能量，最大功率输出仅为10 mW，可以传输相同范围的信号。BLE还会在短突发数据包中发送数据。当不发送数据包时，无线电设备处于空闲状态，几乎不需耗电。
Latency（延迟）
BLE优于Bluetooth BR / EDR的另一种方式是延迟。Bluetooth BR / EDR大约需要100毫秒才能准备好发送数据。从发送器接收数据到接收器可用数据之间还有100毫秒的延迟。在某些情况下，这可能会导致相当明显的延迟。这还会导致更高的功耗，因为发送数据所需的额外时间会消耗更多的电池能量。
BLE提供更低的延迟。BLE只需3毫秒即可准备好发送数据。同样，从发送器接收数据到接收器可用数据之间的等待时间仅为6 ms。这样可以更快地发送数据并节省电量。
Throughput（吞吐量）
BLE在延迟，功耗都具有优势，您可能想知道为什么还有人会选择Bluetooth BR / EDR？好吧，BLE在吞吐量方面落后于Bluetooth BR / EDR。Bluetooth BR / EDR和BLE均使用GFSK，因此从理论上讲，吞吐量的最大限制为1 Mb / s。但是，诸如协议开销，无线电限制和人为的软件限制等因素限制了实际的吞吐量。
在实践中，Bluetooth BR可以达到0.7 Mb / s的吞吐量，而Bluetooth EDR可以达到2.1 Mb / s的吞吐量。对于流音频之类的应用程序来说，这已经足够了吞吐量。由于BLE在短时间内发送数据以节省功率，因此其吞吐量面临其他限制。它只能实现0.27 Mb / s的最大吞吐量。尽管此吞吐量不足以传输音频，但足以发送不需要不断传输的传感器数据。
通过这四个部分，很明显，每种协议的PHY差异都会导致运行参数差异很大。表1总结了Bluetooth BR / EDR和BLE之间的关键参数。
Bluetooth 5
Bluetooth 5使用原始的低功耗BLE技术，但包括一些新的增强功能。最大的增强功能之一是引入了三个PHY，可以选择这些PHY来提高最大范围或吞吐量。Bluetooth 5还添加了增强功能，可以改善广播。
Bluetooth 5提供的第一个PHY称为LE 1M。这与Bluetooth 4.2规范中用于BLE的PHY相同，因此其大多数参数将与表1中所示的参数匹配。LE 1M是Bluetooth 5中唯一必需的PHY。其他两个PHY是可选的。
Bluetooth 5将编码的PHY集成为可选PHY之一，可以扩展通信范围。编码的PHY通过引入冗余以获得一定的处理增益，而不是增加发送器的功率，从而实现了更长的范围。
Bluetooth 5引入了其他冗余位，这些冗余位用于确定位的正确值。编码的PHY有两种变体：S = 2和S = 8。S = 2每位发送两个符号，这将吞吐量降低了两倍，但理论上将范围扩大了一倍。S = 8每位发送八个符号。尽管这会将原始吞吐量降低到125 kb / s，但它大约是该范围的四倍。实际上，实际范围将略低于理论值，但是此方法仍有助于实现更大的范围。
范围并非对所有最终应用程序都很重要，因此Bluetooth 5确保为吞吐量比范围更重要的应用程序提供一些东西。有一个称为LE 2M的双数据速率选项，可将原始数据速率提高到2 Mb / s。它允许以最大1.4 Mb / s的实际实际吞吐量发送数据。这意味着数据传输比蓝牙BR传输速度更快，且功耗更低。
表2比较了Bluetooth 5中可用的三个PHY，以显示它们在原始数据速率和范围方面的差异。
Bluetooth 5提供了很多广播增强功能。它仍然使用与BLE相同的渠道方案，但包括在所有40个渠道上投放广播的选项，而不仅仅是三个。在Bluetooth 5中，小的广播包可以在BLE中使用的三个广播通道上传输。但是，它们现在可以指向可以在其他37个频道上发送的更大的广播包（最多255个八位字节）。这也有助于减少三个主要广播渠道上的内容量。Bluetooth 5还包括用于广播数据包链接，定期广播和较低的最小广播间隔的增强功能。
应用领域
PHY的差异是确定哪种协议最适合每种应用的关键。在最后几节中，我们介绍了许多技术细节，这些细节可用于更好地理解每种协议的理想用法。
让我们从Bluetooth BR / EDR开始。它以更高的吞吐率折衷了数据包延迟和功率，因此最适合以吞吐率为关键指标的应用。这使其成为流或发送大量数据等应用程序的理想协议。常见的应用是无线耳机和点对点应用。
BLE最适合仅需要发送少量数据的应用，设备可以通过这些数据唤醒，传输所需的数据然后再进入睡眠状态。BLE的低功耗使其成为使用小电池供电的设备所必需的。非常适合BLE的应用是心率监测器。心率监测器不需要经常发送数据，但是需要在电池上长时间运行。随着物联网领域的不断发展，我们可能会看到BLE的许多新应用。
重要的是要注意，在为应用选择支持Bluetooth的设备时，需要确保选择支持计划使用的协议的IC。您不能随意购买IC并假定它同时支持Bluetooth BR / EDR和BLE。如前所述，Bluetooth BR / EDR和BLE使用不同的PHY，因此您需要确保选择的IC支持您计划使用的协议的PHY，或者如果您认为这两个PHY都对您有利，则它同时支持这两个PHY应用。
有望实现广泛改进的Bluetooth 5已开始出现在流行技术中。许多流行的智能手机已经提供了Bluetooth 5支持。与大多数无线协议一样，将Bluetooth 5集成到大多数电子设备中已经花费了几年时间。但是，越来越明显的是Bluetooth 5的时代已经到来。
如果您准备好使用Bluetooth 5，则需要一个兼容Bluetooth 5的微控制器来满足关键要求。一个例子是Maxim的 MAX32666GWPBT，它具有双Arm Cortex-M4内核和专用于运行Bluetooth协议栈的独立硬件 （图5） 。这使两个内核完全免费供您的应用程序使用。另一个选择是MAX32665低功耗Arm Cortex-M4，具有带Bluetooth 5的浮点单元（FPU）微控制器。该微控制器具有电源管理功能，例如单电感多输出（SIMO）开关模式电源和动态电压缩放可最大程度地降低功耗，因此非常适合电池供电的系统。
5. MAX32666GWPBT微控制器针对 Bluetooth 5应用。
结论
与任何一堂好课一样，测试知识的最佳方法是参加测验。挑战自己，回到本文开头列出的应用程序，看看是否可以确定每个蓝牙协议使用哪种蓝牙协议。如果您遇到困难，答案就在下面……
Bluetooth BR / EDR非常适合要求最大吞吐量的应用。它会消耗大量的电量，因此对于需要延长电池寿命的应用程序不利。它还具有更大的延迟，并且需要更长的时间来建立连接以发送数据。因此，它不适用于发送和接收不频繁的短消息的应用程序。您可以找到它用来将电话连接到汽车立体声系统以在计算机或平板电脑之间播放音乐或发送文件。两种应用都需要高吞吐量，并且可以承受一定的功耗。
当低功耗至关重要且不需要高吞吐量时，可以使用BLE。它可以非常快速地发送数据，并且延迟很短。您会发现它用在需要使用小电池长时间运行的应用程序中，或者不需要经常发送数据的应用程序中。BLE用于家庭安全系统，例如智能门锁和健身追踪器。
即使这些技术都被称为Bluetooth，它们确实为无线电子世界提供了不同的优势。为了确定最适合您的应用的协议，请确保回顾一下 表1中 列出的PHY的不同之处，以查看每种协议的优势。此外，请注意Bluetooth 5凭借其更高的吞吐量，更长的范围和扩展的广告功能，将在未来几年内改变行业。
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