藍牙是什麼？無線耳機和智慧手錶連線的原理

生活中的例子

用無線耳機聽音樂。智慧手錶上顯示手機的通知。電腦不用線就能接上鍵盤和滑鼠。車上的喇叭傳出手機通話的聲音。這些場合大多都用到了藍牙。

開始使用新耳機時，要在手機的設定裡選擇設備的名稱。只有第一次，要先做一個稱為「配對」的程序。從第二次開始，只要把耳機從充電盒拿出來就會連上。這篇文章會依序來看背後發生了什麼事。

藍牙是「直接連接附近設備」的標準

使用Wi-Fi時，手機和電腦都是透過家裡的路由器（中繼設備）連上網際網路。藍牙則像手機和耳機那樣，不經過中繼設備，直接連接附近的設備。傳送的主要是聲音、操作、感測器數值等當場要用的資料。

不論哪家公司的耳機都能連上手機，是因為電波的發送方式和資料的傳送方式，都依照共同的規則。制定這些規則的，是業界團體藍牙技術聯盟（Bluetooth SIG）。它在1998年由易利信、IBM、英特爾、諾基亞、東芝5家公司成立。1999年，公開了第一版標準（1.0版）。

名稱來自10世紀的丹麥國王哈拉爾·戈姆森的綽號「藍牙」（Bluetooth）。根據藍牙技術聯盟的說法，這位國王以統一丹麥與挪威而聞名。這個名稱寄託了一個願望：用同一種無線技術，把電腦和行動電話的產業連在一起。它原本是開發期間的暫定名稱，後來就直接成了正式名稱。標誌是把代表國王名字開頭H與B的古老文字（盧恩字母）組合而成的形狀。

在手機裡，處理藍牙電波的是專用晶片。有時它會和Wi-Fi整合在同一顆晶片上（「手機裡有哪些半導體？」）。

和Wi-Fi、微波爐共用2.4 GHz頻段

電波是以1秒振動幾次來區分的。這個次數稱為頻率（詳細請見「Wi-Fi是怎麼運作的？」）。藍牙使用的是1秒約振動24億次的2.4 GHz頻段。能用的寬度約80 MHz（0.08 GHz）。

這個頻段原本是在國際上預留給產業、科學、醫療設備使用電波的範圍。所以稱為ISM頻段。ISM是產業（Industrial）、科學（Scientific）、醫療（Medical）的英文字首。代表性的設備是微波爐，它用這個頻段的電波加熱食物。

只要遵守規定的條件，就能免執照使用，所以Wi-Fi和藍牙也都在這個頻段。也就是說，2.4 GHz頻段是許多設備同時發出電波的熱鬧場所。為了在這裡穩定通訊，藍牙下了一番獨特的工夫。

跳頻：不斷改變使用的通道

傳統藍牙把2.4 GHz頻段分成每段1 MHz寬，共79段來使用。每一段稱為「通道」。連線的2台設備，會依照固定的順序，每秒切換通道多達1,600次，同時收發資料。

這種做法稱為「跳頻」，意思是在頻率之間跳來跳去。跳的順序，是由負責主導的一方（多半是手機）的設備編號和時鐘算出來的。對方也做同樣的計算，所以2台設備能在同一瞬間移到同一個通道。

不斷改變頻率，即使某一個通道受到干擾，影響也只有一瞬間。沒送到的部分，可以在下一個通道重送。此外，從2003年的1.2版開始，還能找出壅塞的通道，把它從要跳的對象中排除。這稱為「適應性跳頻（AFH）」。

2種方式：傳統藍牙與BLE

藍牙大致分成2種方式。一種是從第一版標準就有的方式，正式名稱是BR/EDR，這裡稱為「傳統藍牙」。它適合像音樂和通話那樣，不間斷地持續傳送資料的用法。速度在標準上最高每秒300萬位元（3 Mbps）。位元就是0或1的1個位數。

另一種是2010年的4.0版加入的低功耗藍牙（BLE）。它是為了偶爾傳送少量資料的設備，以少用電為目標而設計的。它把2.4 GHz頻段分成每段2 MHz寬的40個通道，其中3個專門用來向周圍「打招呼」。這種招呼稱為廣播，是不指定對象，告知自己在這裡或傳送簡短資訊的電波。這3個通道就稱為廣播通道。

BLE設備只在有東西要傳時，才發出極短時間的電波，其餘時間停止大部分電路來休息。設備的電力，大多花在收發電波的期間。所以傳送的時間越短、休息的時間越長，電池就能用得越久。因此，也能做出靠鈕扣電池運作好幾年的產品。

讓設備在休息期間幾乎不耗電的做法，在驅動設備的小電腦（微控制器）這一側也有。鈕扣電池能用幾年的計算，在「微控制器（MCU）是什麼？」中介紹。

2種方式都使用同一個2.4 GHz頻段，但電波的用法不同，所以無法直接互相通訊。手機和電腦兩種都支援，所以既能連傳統藍牙的耳機，也能連BLE的感測器。

配對：先做好共用的「金鑰」

藍牙的電波也會傳到牆外，所以附近的人都收得到。因此藍牙會把資料轉換成沒有特定金鑰就讀不出來的形式再傳送。這稱為加密（原理請見「加密是什麼？」）。

2台設備第一次連線時，做出加密用的共同金鑰，並互相記住的程序，就是配對。現在的方式所用的計算方法，即使用電波交換金鑰的材料，旁聽的人也無法得知金鑰。這種方法屬於所謂的金鑰交換。從第二次開始，就用記住的金鑰馬上連線。

有螢幕的設備之間，有時2台都會顯示相同的6位數字，並詢問「是否一致」。這是為了確認有沒有別的設備插進中間，同時冒充雙方。如果被插進中間，2台的數字幾乎不可能一致。數字不同，或收到不明的連線要求時，請不要允許。

像耳機這樣幾乎沒有螢幕和按鈕的設備，無法做這個確認。所以會使用不經確認就做出金鑰的方法。根據美國國家標準暨技術研究院（NIST）的指南，這種方法無法防止有人插進中間。耳機的配對，最好在人少又安靜的地方完成，比較安心。

設定檔：依用途訂定的規則

同樣是藍牙，耳機和鍵盤要傳的資料並不相同。所以針對每種用途，都準備了要傳什麼資料、怎麼傳的規則。這些規則稱為「設定檔」（profile）。

例如有傳送音樂的規則、交換通話聲音的規則、傳送鍵盤和滑鼠操作的規則。BLE也有傳送心率計等數值的規則。連線的2台設備如果沒有支援同一個設定檔，就無法那樣使用。

耳機的聲音：編解碼器與延遲

CD的音樂，是把聲音波形的高度，以每秒44,100次、每次16位元的數字記錄下來。左右共有2份，所以直接傳送的話，每秒需要約141萬位元（約1,411 kbps）。傳統藍牙在標準上最高每秒300萬位元，但實際能傳的量比這少，還需要保留重送的餘裕。

所以會先把聲音資料縮小再傳送，在耳機這一端還原成聲音。這種縮小與還原的計算方法，稱為「編解碼器」（codec）。在藍牙傳送音樂的規則中，所有設備都必須支援名為「SBC」的編解碼器。其他像「AAC」等，只要雙方都支援也能選用。

SBC的高音質設定，資料量約每秒33萬位元（328 kbps）。大約是CD原始資料量的4分之1。SBC和AAC都是用把不易聽見的部分做得較粗等方式來縮小，刪掉的部分無法還原。

用無線耳機時，遊戲的音效有時會稍微晚一點才聽到。這是因為聲音要先湊成固定長度再縮小，耳機端也要為了重送先存一點再播放。還原的計算也要花時間。看著畫面操作的遊戲或演奏樂器時，比較容易感覺到這個落差。

LE Audio：用BLE傳送聲音的新方式

藍牙技術聯盟在2020年發表了用BLE電波傳送聲音的新方式「LE Audio」。2022年，一系列的標準全部完成。核心是新的編解碼器「LC3」。根據聯盟的發表，在聆聽比較測試中，LC3即使只用SBC一半的資料量，音質評價仍比SBC好。

LE Audio也規定了直接把聲音傳給助聽器的用法。還有讓1個發送端同時把聲音傳給任意多人的「Auracast」。聯盟舉的例子，是用自己的耳機或助聽器收聽機場廣播，或店裡電視的聲音。要使用的話，發送端和接收端都必須支援。

傳輸距離並沒有固定「幾公尺」

藍牙技術聯盟表示，傳輸距離依條件而定，從不到1 m到超過1 km都有。決定距離的，是電波的強度、接收端的靈敏度、天線、途中的障礙物等。

耳機和智慧手錶靠小電池運作，所以電波的強度也有限。除了牆壁和家具，人的身體也是會減弱電波的障礙物。手機放在身體另一側的口袋時，聲音有時會斷斷續續，就是這個原因。

得知位置：信標與「尋找」網路

BLE的廣播電波，也能當作地點的標記。持續週期性發出固定編號的小型設備，稱為「信標」（beacon）。手機會從收到的電波強度，大致推估自己離信標有多近。它被用在商店或設施的導覽等。

尋找遺失物品的追蹤標籤，也使用BLE的廣播。標籤發出的電波，由附近經過的他人手機接收，再把自己所在的位置加密後送到伺服器。物主就從這些資訊得知標籤在哪裡。根據Apple的資料，在該公司的「尋找」網路中，連Apple自己也無法讀取位置。物主也不會被告知找到的人是誰。

為了安全地使用

藍牙也可能在設備的軟體中被發現弱點（漏洞）。例如在2017年，資安公司Armis公布了命名為「BlueBorne」的多個漏洞。對象是Android、Windows、Linux、iOS的部分版本。即使沒有配對，也有可能從附近被操控設備。各公司以更新程式因應，日本的JPCERT/CC也呼籲套用更新。

BlueBorne不是標準本身的問題，而是各公司所寫軟體的弱點。對策是讓作業系統和設備的軟體保持最新。不再使用的設備就刪除登錄，也不要允許來自不明設備的連線要求。

常見的誤解

用數字來看

53億台，大約是世界人口（根據聯合國，2022年為80億人）的3分之2。每年都有這麼多設備被新製造出來。

深入學習

• 用表格看差異：Wi-Fi、藍牙與LPWA的差異（距離、速度、功耗）
• 動手算算看：影像、聲音、影片資料量計算工具（確認CD聲音的1,411 kbps）、dBm換算工具（電波強度的單位）
• 下一步的用語：睡眠模式（沒有工作時停止電路）、公開金鑰加密（金鑰交換的基礎概念）、LPWA（傳得更遠的省電無線通訊）
• 相關文章：「5G是什麼？」（行動電話電波的情況）