liwen01 2025.06.01

前言

藍牙(ya)工作(zuo)在(zai) 2.4GHZ ISM 頻(pin)段(duan)，它與 2.4G WiFi 處于相同的頻(pin)段(duan)。在(zai)經典藍牙(ya)與 BLE 藍牙(ya)之間(jian)，信(xin)道數、信(xin)道帶寬、跳頻(pin)機制、信(xin)道用途(tu)上都存在(zai)很(hen)大的區(qu)別(bie)。

這(zhe)里我們將介紹藍牙的信道、跳(tiao)頻、以及信道的選擇算法。

（一）經典藍牙信道

經典藍牙信道帶寬 1Mhz，從(cong)信道 ch0~ch78，合計共(gong) 79 個(ge)信道分布(bu)在 2400 ~2483.5 MHz（ISM）頻段。

在未連接前，經典藍牙使用的是79個信道中的32個信道進行廣播和配對（Inquiry Scan/Page Scan 階段）

配對連接成功之后，則會使用全部 79 個信道，包括控制包和數據包都通過(guo)這 79 個信道交換。

（1） 經典藍牙通道類型

在經典(dian)藍(lan)牙(ya)中(zhong)，信道分為 5 類(lei)：

• Inquiry Scan & Page Scan：用于設備發現和連接前階段。
• Basic/Adapted Piconet：連接后使用，用于正常或干擾優化通信。
• Synchronization Scan：專為同步廣播設計，用于周期性接收廣播數據。

（2）Inquiry Scan（發現設備）

Inquiry Scan 通道的作用是用于設備被發現（被查詢(xun)） 的場(chang)景。

主要特點：

• 使用32個預定義的跳頻信道（在79個信道中選出）。
• 設備周期性地監聽 Inquiry 信號。
• 當其他設備發起 Inquiry 請求時，處于 Inquiry Scan 狀態的設備會響應。
• 通過該通道，設備能被發現，但還未建立連接。

主要適用場景：設(she)備(bei)廣播“我在(zai)這”，以供其(qi)他設(she)備(bei)查詢時使(shi)用。

（3）Page Scan（連接目標設備）

Page Scan 通道的作用是用于設備等待被連接（被尋呼）的場景。

主要特點：

• 設備處于“可連接”狀態時，周期性地監聽特定跳頻上的尋呼信號。
• 主設備在這 32 個信道中跳頻發送 Page 請求
• 主設備使用 Page Channel 向從設備發起連接。
• 從設備在這個通道上掃描尋呼請求。

主要適用的場景：從設備(bei)等待主設備(bei)發起連(lian)接。

（4）Basic Piconet Channel

Basic Piconet Channel是設備連接成功后，用于(yu)主從(cong)之間數據傳輸的(de)主要物(wu)理(li)通道。

主要特點：

• 由一個主設備控制跳頻序列。
• 所有從設備跟隨主設備的跳頻。
• 使用所有79個信道（0~78）。

主要適用場景是：連(lian)接狀態下(xia)的正常通(tong)信(xin)。

（5）Adapted Piconet Channel

Adapted Piconet 通道是 Basic Piconet 的一個變種，適用于跳頻受限環境（如 Wi-Fi 干擾）。

主要特點：

• 用于連接狀態下通信。
• 跳頻圖是根據頻道質量評估動態調整的（Adaptive Frequency Hopping, AFH）。
• 跳頻圖會剔除干擾嚴重的信道。
• 動態選擇部分信道（例如剔除干擾頻段，可能只用20~60個）

主要適用場景：存在2.4GHz 環境有干擾時的通信場景。

（6）Synchronization Scan Channel（同步掃描通道）

Synchronization Scan 通道用于支持同步從設備（如(ru)耳(er)機、音箱）保持(chi)與主設備的同步，尤其是(shi)在廣(guang)播傳輸時。

主要特點：：

• 用于收聽周期性廣播（如 synchronized broadcast）。
• 從設備周期性喚醒并監聽同步廣播信號。
• 支持低功耗同步接收。

主要適用場景：單向廣(guang)播同步，如廣(guang)播音頻等。

（二）BLE 低功耗藍牙信道

BLE藍牙為了更好地適應低功耗、低成本、小數據量傳輸的(de)需(xu)求(qiu)，以便能更好(hao)地適配物聯網設備，BLE藍(lan)牙在經典藍(lan)牙基(ji)礎上減(jian)少了(le)信道(dao)(dao)數、增加了(le)信道(dao)(dao)寬度(du)。

但 BLE 藍(lan)牙在抗干擾(rao)性和數據速(su)率方面有做了部(bu)分的取舍。

（1）BLE藍牙信道類型

BLE 藍牙(ya)與(yu)經典藍牙(ya)都是工作(zuo)在 2400 ~2483.5 MHz(ISM) 頻段，BLE 藍牙(ya)將 ISM 頻段分為帶寬為 2Mhz 的 ch0~ch39 共 40 個信道。

這 40 個(ge)信道編號(hao)并不(bu)是連續的。其中(zhong)37、38、39 為廣播信道，分(fen)布在(zai)不(bu)同(tong)的位置。

為何 37、38、39 三個廣播信道會分布在不同位置？

主要原因是藍牙(ya)與(yu) 2.4G WiFi處于(yu)同一個工作頻段(duan)，為了盡可能(neng)地(di)避免 WiFi 對藍牙(ya)的干擾(rao)，所以將三(san)個廣(guang)播信(xin)道(dao)布置到(dao)了 WiFi 信(xin)道(dao)的"縫隙"中。

上圖可以看出 BLE 的(de)37、38、39 信道(dao)，實際是(shi)分(fen)布在WiFi 1、6、11 信道(dao)的(de)"縫隙"處。

WiFi 信道相關的知(zhi)識可以查看(kan)之前 WiFi 系列文章中的《》

當藍牙(ya)與 WiFi 在同一個(ge)空(kong)間工作時，從頻(pin)譜圖中可以明顯地看到藍牙(ya)的廣(guang)播信道頻(pin)譜。

隨(sui)著時(shi)間的變化，也可以看(kan)到一(yi)段時(shi)間上各信道(dao)的利用率。其(qi)中(zhong)藍(lan)牙廣播信道(dao)的使(shi)用率還是挺高。

（2）經典 VS BLE 藍牙信道

藍牙技術的發展從 BR/EDR（Basic Rate/Enhanced Data Rate） 到 BLE（Bluetooth Low Energy），其物理信道數量由 79個（在BR/EDR中）減少為 40個（在BLE中），在功耗、成本、信(xin)道重疊上有優勢，但(dan)在吞吐(tu)量、抗干擾方(fang)面又(you)有明顯不(bu)足(zu)。

BLE 藍牙信道優勢：

• 簡化射頻設計：2 MHz 寬度、40 個信道更適合低成本實現。
• 更快建立連接：3 個固定廣播信道，有利于快速掃描與連接。
• 節能優化：信道規劃簡化通信過程，有助于降低功耗。
• 減少與Wi-Fi干擾：合理分布的信道避免與 Wi-Fi 常用信道沖突。

BLE 藍牙信道劣勢：

• 抗干擾能力略弱：跳頻范圍變窄，在復雜無線環境下易受影響。
• 最大吞吐量較低：不適合大數據量或高質量音頻/視頻傳輸（不過BLE Audio在BLE 5.2中已部分改進）。
• 兼容性問題：早期BLE設備不支持BR/EDR，應用需要按場景選擇。

簡而(er)言之就是：經典藍(lan)(lan)牙(ya)使用(yong) 1Mhz 帶寬(kuan)(kuan) 79 信(xin)道，BLE 使用(yong)2Mhz 帶寬(kuan)(kuan) 40 信(xin)道。BLE 藍(lan)(lan)牙(ya)減少了(le)信(xin)道數(shu)、增加了(le)信(xin)道寬(kuan)(kuan)度，使得BLE藍(lan)(lan)牙(ya)在低功耗、低成本(ben)、小數(shu)據量傳輸中占據優勢，但在抗干擾(rao)性和數(shu)據速率(lv)方面又有(you)所犧牲。

（三）跳頻技術

為了(le)提(ti)高通信(xin)的(de)抗干(gan)擾和(he)提(ti)升頻譜的(de)利用率，藍牙使用了(le) FHSS 和(he) AFH 跳頻技(ji)術

（1）FHSS 跳頻擴頻（Frequency Hopping Spread Spectrum）

藍牙從一開始(shi)的1.0版本就有使用跳頻技(ji)術，當時使用的是 FHSS 技(ji)術。

FHSS 是一種擴頻技術，它通過在多個(ge)頻率信(xin)道間快(kuai)速切換（跳頻）來發(fa)送(song)數(shu)據，從而提高抗干擾能力和(he)通信(xin)安全性。

FHSS 跳頻擴頻的優點

• 抗干擾能力強：跳頻特性(xing)使(shi)信號不(bu)在一個頻率上長時間停留(liu)，能(neng)規避某些短時干擾。

• 提高通信安全性：頻率不斷變化，監(jian)聽者難以(yi)持續(xu)跟(gen)蹤完整的(de)數(shu)據流，提(ti)高抗監(jian)聽能力。

• 抗多徑效應：跳頻(pin)可以避(bi)免由于多徑效應導致的某一頻(pin)率(lv)點的嚴重衰減。

• 實現簡單、成本低：在早(zao)期硬件平(ping)臺上(shang)易(yi)于(yu)實(shi)現，對處理(li)器(qi)和(he)協議要求較低(di)。

FHSS 跳頻擴頻的缺點：

• 容易跳入受干擾信道：跳(tiao)頻(pin)是隨機或偽隨機的，可(ke)能跳(tiao)到(dao)被 Wi-Fi 或其他設備強干(gan)擾的頻(pin)率上，影(ying)響通信質量(liang)。

• 無適應能力：不能(neng)根據環境自動優化跳頻序(xu)列，效率低于后來的(de)自適應跳頻技術。

• 頻譜利用率不高：所有信道(dao)都(dou)參與跳頻(pin)，即使(shi)某些信道(dao)質量很差，也仍可(ke)能使(shi)用(yong)。

（2）AFH 自適應跳頻（Adaptive Frequency Hopping ）

雖然 FHSS 能提高抗干擾能力，但在(zai) 2.4 GHz 頻(pin)段中(zhong)，有(you)很(hen)多其他設備（如 Wi-Fi、微波爐、Zigbee）也(ye)在(zai)使用相(xiang)鄰(lin)或相(xiang)同頻(pin)率，可(ke)能造(zao)成干擾。

為了解決該問題，從 藍牙 1.2 開始，引入了 AFH 技術

AFH 的核心思想是：

AFH 會檢測信道質(zhi)量(liang)，自動將受干(gan)擾嚴重或質(zhi)量(liang)差的信道從跳(tiao)頻序列中排除(chu)，只在“良好信道”之間(jian)跳(tiao)頻，從而(er)提升通信質(zhi)量(liang)。

AFH 自適應跳頻的優點：

• 避開干擾頻率：自動檢測和屏蔽受干擾或高誤碼率的信道，顯著提高通信穩定性和吞吐率。

• 與 Wi-Fi 等共存能力強：能主動避開 Wi-Fi 使(shi)用的(de) 2.4GHz 頻段（如信道 1、6、11），減少藍(lan)牙(ya)與 Wi-Fi 的(de)沖突。

• 動態適應能力強：能根據實時(shi)環境變化，更新跳頻序列，應對(dui)移動設(she)備和復(fu)雜無線環境。

• 提高實際傳輸效率：由于(yu)減少了(le)因(yin)信道干擾而(er)導致的重傳(chuan)，提升了(le)有效數據速率(lv)。

AFH 自適應跳頻的缺點

• 實現更復雜：需要主設備監測信道質(zhi)量、動態維(wei)護信道列表，增加了(le)協議棧復雜度和資(zi)源消耗(hao)。

• 依賴主從協同跳頻：主設備做(zuo)決策并同(tong)(tong)步(bu)從設備，若同(tong)(tong)步(bu)失(shi)效，通信會中斷。

• 受限于信道總數減少：剔(ti)除“壞信道(dao)”后，可用信道(dao)減少，可能導致(zhi)頻譜利用率下降、跳頻圖變(bian)得不均勻。

FHSS 與 AFH的應用

在經典藍牙中，設備剛連接上時，使(shi)用的(de)是Basic Piconet Channel 通道進(jin)行(xing)數據交互，實際使(shi)用的(de)是 FHSS 跳頻(pin)機制在0~79信(xin)道之間跳轉。

如果開啟了AFH功能(neng)，藍牙模塊(kuai)會去檢測(ce)信(xin)道(dao)的(de)質量，將質量不好的(de)信(xin)道(dao)剔除，也就是Adapted Piconet Channel 信(xin)道(dao)。它(ta)使(shi)用的(de)是BR/EDR 80個信(xin)道(dao)中的(de)部分(fen)信(xin)道(dao)進行數據交互。

在藍(lan)牙中，生成跳頻序列的算法有(you)兩(liang)種：

• Channel Selection Algorithm #1（CSA#1）
• Channel Selection Algorithm #2（CSA#2）

下(xia)面(mian)我們介紹這兩種算法在BLE中(zhong)的(de)使用。

（四）信道選擇算法

在BLE通信中，設備通過跳頻（Frequency Hopping）在多個(ge)數(shu)據通(tong)(tong)道之間切(qie)換，以(yi)減少干擾并(bing)提高通(tong)(tong)信可靠性。

CSA#1和CSA#2定義了數據包應跳轉到哪個(ge)通道。

（1）CSA#1 （Channel Selection Algorithm #1）

CSA#1 是藍(lan)牙(ya)早期(qi)版本（如 Bluetooth 4.0 及之前）中使用的信(xin)道選擇算法。

特點：

• 基于事件計數器（Event Counter）。
• 線性跳頻：通過一個簡單的公式，在37個數據通道中進行偽隨機跳變。
• 不可自適應：無法避開存在干擾的信道。

跳頻的公式為：

channel_index = (event_counter + hop_increment) % 37

hop_increment 為配對時選定的跳頻(pin)因子(zi)（范(fan)圍是1~36，不能(neng)被37整(zheng)除）

上圖可(ke)以看出CSA#1算法跳(tiao)頻的線性變化(hua)。

CSA#1優勢：

• 實現簡單： 算法邏輯相對簡單，計算量低，適合資源受限的設備（如低端MCU）。
• 兼容性強： 是 BLE 4.0/4.1 的默認跳頻算法，幾乎所有 BLE 設備都支持。
• 跳頻快速： 跳頻速度快，延遲小，有助于低延遲通信。

CSA#1劣勢：

• 跳頻模式較為可預測，安全性較低。
• 容易受干擾，因為不能跳過信號質量差的通道。
• 在高干擾環境（如 Wi-Fi 重疊）下表現較差。

（2）CSA#2 （Channel Selection Algorithm #2）

CSA#2 算法在藍牙5.0 之后版本廣泛使用，旨在提高藍牙的抗干擾性和安全性。

特點：

• 更加隨機、抗干擾性更強。
• 支持信道映射表（Channel Map），跳過受干擾的通道。
• 基于AES-like加擾運算：提高安全性和隨機性。

算法大致流程：

1. 使用一個 event_counter 和 access_address 作為種子，經過非線性變換（例如基于 AES 的混淆函數）生成一個偽隨機數。
2. 將該偽隨機數對可用通道數量取模，得到目標信道索引。
3. 使用當前的 信道映射表（channel map）來找出實際要跳轉的通道。

從上圖(tu)可以看出，使用CSA#2之(zhi)后，信道(dao)跳轉是非線性(xing)的。

CSA#2優勢：

• 抗干擾能力強： 使用 AES 加密生成偽隨機跳頻(pin)序列，難以預測，抗干擾(rao)性和安全性大幅提升。

• 頻譜使用均勻： 所有可用頻道使(shi)用更均勻，避免某(mou)些(xie)頻道過度使(shi)用，提(ti)高系統穩定(ding)性。

• 安全性更高： 序列(lie)與(yu)連接(jie)參數(shu)相關，外(wai)部(bu)無法預測，有助于防(fang)止(zhi)干擾和嗅探攻擊(ji)。

• 支持動態黑名單： ;可(ke)以(yi)動態地排除(chu)受干擾的頻道（結(jie)合(he) Adaptive Frequency Hopping, AFH）。

CSA#2缺點：

1. 實現復雜： 依賴加密算法（如 AES-128），計算復雜度高，對硬件資源有更高要求。
2. 兼容性要求更高： 舊設備（BLE 4.0/4.1）可能不支持 CSA#2，需協商降級使用 CSA#1。
3. 稍微增加功耗： 計算量增大可能略微提升能耗，尤其是在資源緊張的低功耗設備中。

CSA#1 VS CSA#2

（3）信道質量判斷

所有(you)的(de)無線設備，包括藍牙和 WiFi，都無法在發送數據(ju)的(de)同時檢測當(dang)前信道是否繁忙(mang)，而是通過(guo)過(guo)往(wang)數據(ju)的(de)收發情況(kuang)進(jin)行分析判斷。

信道質量的衡量指標

藍牙控制器通過以下方式判斷某個信道是否“質量差”：

（1）包錯誤率（PER, Packet Error Rate）

• 某個信道上發送的包中，有多少是被接收方認為損壞的（如CRC校驗失敗）。
• 通常以“百分比”表示，比如 PER > 10% 可認為質量較差。

（2）重傳次數（Retransmissions）

• 如果某個信道頻繁需要重傳，說明它信號質量差。

（3）接收信號強度（RSSI）

• 藍牙設備能檢測接收到的信號強度；RSSI太低表示信道質量差。
• 但RSSI不總是直接用來決定跳頻行為，更多用于優化連接。

（4）信道利用率或干擾檢測

• 某些藍牙控制器具備檢測頻道是否被Wi-Fi等占用的能力（頻譜掃描或能量檢測）。

藍牙控制器維護一個信道分類表（Channel Classification Map），將信道分為：

• Good（好）：當前通信表現穩定；
• Bad（差）：通信包錯誤率高、干擾嚴重；
• Unknown（未知）：未被使用或未測量；

藍牙(ya)主設備(bei)定期上報這個(ge)分類表(biao)給從設備(bei)，確保主從設備(bei)使用同一跳頻序(xu)列。

（五）藍牙信道未來發展

從藍(lan)牙(ya)聯盟官(guan)方網站上(shang)看，藍(lan)牙(ya)是(shi)有在規劃 5 GHz 和 6 GHz 頻段(duan)的使用，但是(shi)沒(mei)有給出(chu)明確的推出(chu)時間。

規劃5 GHz 和 6 GHz的目的是：更高的數據吞吐量、更低的延遲、更高的定位精度以及更好的共存性。

藍牙(ya)規范的(de)(de)推出，再到用戶能用的(de)(de)實(shi)際產品，中(zhong)間會(hui)有個代差。可以確(que)定的(de)(de)是，短時(shi)間內應該大家是還看不到 5 GHz 和 6 GHz 藍牙(ya)的(de)(de)應用。

結尾

本章主要介紹(shao)了經(jing)典藍(lan)(lan)牙和BLE藍(lan)(lan)牙的(de)物理(li)信道(dao)，以及它們(men)的(de)調頻技術、信道(dao)選擇算法。下(xia)一章將介紹(shao)藍(lan)(lan)牙的(de)連接(jie)過程。