قنوات وواجهة راديو البلوتوث

تُعطي واجهة راديو “Bluetooth” شكلاً مباشراً ولكنّه فعال جداً للاتصال اللاسلكي، حيث تم تصميم واجهة “Bluetooth” اللاسلكية لتوفير أداء موثوق به حتى في مواجهة التداخل من الأجهزة الأخرى التي تستخدم نفس الترددات، ونظراً لأنّ التقنيات الأخرى بما في ذلك “Wi-Fi” والعديد من الأجهزة الأخرى التي تستخدم الترددات ذاتها، كما يلزم التشغيل الموثوق به وقد تم تصميم واجهة راديو “Bluetooth” لتوفير ذلك.

ما هي خدمة البلوتوث Bluetooth؟

البلوتوث “Bluetooth”: هو بروتوكول قياسي لإرسال واستقبال البيانات عبر ارتباط لاسلكي “2.4 جيجاهرتز”، كما إنّه بروتوكول آمن، وهو مثالي لعمليات الإرسال اللاسلكية قصيرة المدى ومنخفضة الطاقة وقليلة التكلفة بين الأجهزة الإلكترونية.

أساسيات واجهة راديو Bluetooth:

تستخدم واجهة راديو “Bluetooth” عدداً من التقنيات وتنسيقات الإشارة؛ لتمكينها من العمل بشكل موثوق، حيث يعتمد على الترددات في نطاق “2.4 جيجا هرتز ISM”، ويستخدم تقنية تسمى قفز التردد حيث تنتقل الإشارة من تردد إلى آخر على فترات منتظمة، ومع العديد من المستخدمين الآخرين على نطاق “ISM” من الميكروويف إلى شبكة “Wi-Fi”، يوفر حامل التنقل القدرة على التداخل الذي يمكن لأجهزة البلوتوث الابتعاد عنه.

يبقى إرسال البلوتوث فقط على تردد معين لفترة قصيرة، وفي حالة وجود أي تداخل يتم إعادة إرسال البيانات لاحقاً، وعندما تتبدل الإشارة إلى قناة مختلفة من المحتمل أن تكون خالية من إشارات التداخل الأخرى، كما يستعمل المعيار معدل قفزة يبلغ “1600 قفزة في الثانية”، ويتنقل النظام فوق جميع الترددات المتاحة باستخدام تسلسل قفزة شبه عشوائي محدد مسبقاً بناءً على عنوان “Bluetooth” الخاص بالعقدة الرئيسية في الشبكة، وأثناء تطوير معيار “Bluetooth”، تقرر اعتماد استخدام نظام قفز التردد بدلاً من نهج الطيف المنتشر بالتسلسل المباشر؛ لأنّه قادر على العمل على نطاق ديناميكي أكبر.

إذا تم استخدام تقنيات انتشار الطيف بالتتابع المباشر، فإنّ المرسلات الأخرى الأقرب من المستقبل ستمنع الإرسال المطلوب إذا كان أبعد وأضعف، كما تستعمل واجهة راديو “Bluetooth” أيضاً تقنية تعديل تسمى “Gaussian Frequency Shift Keying”، وهذا الأسلوب من التعديل مناسب من حيث الطيف ويوفر أيضاً استعمال مضخمات طاقة لاسلكية فعالة، وبالتالي توفير عمر البطارية.

• “ISM” هي اختصار لـ “Industrial, Scientific and Medical”.

تعديل البلوتوث Bluetooth modulation:

كان النهج الذي تم اعتماده منذ البداية لـ “Bluetooth” في الإصدار 1 هو تنسيق مفتاح إزاحة التردد الغاوسي “GFSK” بالإضافة إلى متطلبات معدلات بيانات أعلى، تم توفير شكلين من مفتاح إزاحة الطور للبلوتوث “2” لإعطاء معدل البيانات المحسن، وإمكانية “EDR”.

أولاً: مفتاح إزاحة التردد الغاوسي Gaussian frequency shift keying:

عند استخدام “GFSK” للشكل المختار لتشكيل “Bluetooth”، يتم إزاحة تردد الموجة الحاملة لتحمل التشكيل، كما يتم تمثيل الرقم الثنائي بانحراف تردد إيجابي ويمثل الصفر الثنائي بانحراف تردد سلبي، حيث يتم بعد ذلك ترشيح الإشارة المعدلة باستخدام فلتر مع منحنى استجابة غاوسي لضمان عدم امتداد النطاقات الجانبية بعيداً جداً على جانبي الموجة الحاملة الرئيسية.

ومن خلال القيام بذلك يحقق تعديل “Bluetooth” عرض نطاق ترددي قدره “1 ميجاهرتز” مع متطلبات فلتر صارمة؛ لمنع التداخل على القنوات الأخرى، وللتشغيل الصحيح يتم تحديد مستوى “BT” على “0.5” ويجب أن تحدد قيمة مؤشر التعديل بين “0.28” و”0.35″.

ثانياً: مفتاح إزاحة الطور Phase shift keying:

مفتاح إزاحة الطور: هو شكل تعديل البلوتوث المستخدم؛ لتمكين معدلات البيانات الأعلى التي نستطيع  الحصول عليها باستخدام معدل البيانات المحسن “Bluetooth 2 EDR”، حيث يتم استخدام شكلين من “PSK”:

• π / 4 DQPSK: هو شكل من أشكال مفتاح إزاحة الطور المعروف باسم “π / 4” مفتاح إزاحة الطور التفاضلي، حيث إنّه يتيح تحقيق معدل بيانات خام يبلغ “2 ميجابت في الثانية”.

• 8DPSK: هو شكل من أشكال تعديل البلوتوث، وهو ثماني نقاط أو مفتاح إزاحة الطور “8-ary” ويتم استخدامه عندما تكون شروط الارتباط جيدة ويسمح بتحقيق معدلات بيانات أولية تصل إلى “3 ميجابت في الثانية”.

يتم تنفيذ قدرة معدل البيانات المحسّنة لتعديل “Bluetooth” كقدرة إضافية بحيث يبقى النظام متناسقاً مع الإصدارات السابقة، كما لا تصلح مخططات تعديل البلوتوث والصيغة العامة لحمل معدلات بيانات أعلى أمّا بالنسبة إلى “Bluetooth 3″، لا يتم الحصول على معدلات البيانات الأعلى عن طريق تغيير أسلوب تعديل “Bluetooth”، ولكن من خلال العمل بشكل تعاوني مع الطبقة المادية “IEEE 802.11g“، وبهذه الطريقة يمكن تحقيق معدلات بيانات تصل إلى حوالي “25 ميجابت في الثانية”.

• “EDR” هي اختصار لـ “Enhanced Data Rate”.

• “GFSK” هي اختصار لـ “Gaussian frequency shift keying”.

• “PSK” هي اختصار لـ “Phase shift keying”.

• “DQPSK” هي اختصار لـ “Differential Quadrature Phase Shift Keying”.

• “DPSK” هي اختصار لـ “Differential phase-shift keying”.

• “IEEE” هي اختصار لـ “Institute of Electrical and Electronics Engineers”.

مستويات طاقة البلوتوث:

طاقة جهاز الإرسال الخاصة بـ “Bluetooth” منخفضة للغاية، على الرغم من وجود ثلاث فئات مختلفة من المخرجات تعتمد على الاستخدام المتوقع والمدى المطلوب.

• تم تصميم “Power Class 1” للاتصالات طويلة المدى حتى “100 متر” من الأجهزة، ولها طاقة ناتجة قصوى تبلغ “20 ديسيبل ميلي واط”.

• التالي هو “Power Class 2” الذي يستخدم لما يطلق عليه للأجهزة ذات النطاق العادي بمدى يصل إلى حوالي “10 أمتار”، مع طاقة ناتجة قصوى تبلغ “6 ديسيبل ميلي واط“.

• أخيراً هناك “Power Class 3” للأجهزة قصيرة المدى، حيث تدعم فئة البلوتوث 3 الاتصال لمسافات تصل إلى حوالي “10 سم” فقط ولها طاقة ناتجة قصوى تبلغ “0 ديسيبل ميلي واط”.

يُعد التحكم في الطاقة أمراً إلزامياً بالنسبة إلى “Bluetooth” من الفئة 1، ولكنّه اختياري بالنسبة للآخرين على الرغم من أنّه من المستحسن استخدامه للحفاظ على طاقة البطارية، يمكن اختيار مصدر الطاقة المناسب وفقاً لقراءة مؤشر إشارة القوة المستلمة “RSSI”، ومن أجل الحفاظ على طاقة البطارية يجب اختيار أقل مستوى طاقة مرسلة يتوافق مع ارتباط موثوق، وبافتراض إتاحة التحكم في مستوى الطاقة يتم اختيار مستوى الطاقة وفقاً لقراءة “RSSI”، وإذا انخفض مؤشر “RSSI” عن مستوى معين فيمكن زيادة مستوى طاقة “Bluetooth” لرفع مستوى “RSSI” إلى المستوى المقبول.

تُعد قيمة أي رقم “RSSI” تعسفية، حيث يتم استعمالها ببساطة لتقديم إشارة إلى وقت زيادة مستوى الإشارة وبالتالي مستوى الطاقة المرسلة أو تقليله، كما تُحدد مواصفات “Bluetooth” الحد الأقصى لمعدل الخطأ في البت بنسبة “0.1%” وهذا يعادل الحد الأدنى من المتطلبات لحساسية الاستقبال البالغة “-70 ديسيبل ميلي واط”، وبعد ذلك تؤدي أرقام الحساسية هذه إلى المسافات التي يمكن تحقيقها لمستويات القدرة المختلفة، على الرغم من أنّ مُستقبلات اليوم أكثر حساسية بشكل عام من تلك التي تم استخدامها لتحديد المواصفات الأساسية عند إطلاقها.

تم تحسين واجهة راديو “Bluetooth” لإعطاء واجهة مرنة يمكن أن تعمل بطريقة فعالة من حيث الطيف جنباً إلى جنب مع التطبيقات الأخرى ضمن النطاق “2.4 جيجا هرتز ISM” أو النطاق الخالي من الترخيص، كما تم تصميم السطح البيني الراديوي لتمكين الدوائر التي تنقل الإشارات من العمل بكفاءة، وبالتالي إطالة عمر البطارية.

• “RSSI” هي اختصار لـ “Received Signal Strength Indicator”.