一 : RNA干扰技术原理及应用

RNA干扰的原理及其应用

一、RNAi的发现简史
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90年代初，Rich Jorgensen和其同事,在对矮牵牛(petunias)进行

研究中有个奇怪的发现:将一个能产生红色素的基因臵于一个强启动子后,
导入矮脚牵牛中,试图加深花朵的紫颜 色,结果没看到期待中的深紫色花朵,多 数花成了花斑的甚至白的。Jorgensen 将这种现象命名为 共抑制现象(cosuppression), 因为导入的基因和其相似的内源基因同时都 被抑制。开始这被认为是矮牵牛特有的怪现象。

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然而，并非只有植物学家才注意到了这种意外的现象。意 大利的Cogoni等,将外源类胡萝卜素基因导入链孢霉

(Neurosporacrassa),结果转化细胞中内源性的类胡萝卜
素基因也受到了抑制。而在真菌转基因实验中这种共抑制 现象被称为“quelling”现象。

What’s more...
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1995年康乃尔大学的研究人员Guo和 Kemphues尝试用反义RNA (antisense RNA)去阻断秀丽新小杆线虫 (Caenorhabditis.elegans) 的par-1

基因的表达以探讨该基因的功能,结果
反义RNA的确能够阻断基因的表达,但 是奇怪的是,注入正义链RNA(sense

RNA)作为对照,也同样阻断了基因的表
达。这与传统上对反义RNA技术的解释 正好相反。

反义RNA技术
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反义RNA是指与mRNA互补的RNA分子，也包括与其它 RNA互补的RNA分子。 由于核糖体不能翻译双链的RNA，所以反义RNA与mRNA 特异性的互补结合, 即抑制了该mRNA的翻译。通过反义 RNA控制mRNA的翻译是原核生物基因表达调控的一种方 式，最早是在E.coli 的产肠杆菌素的Col E1质粒中发现的

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，许多实验证明在真核生物中也存在反义RNA。

反义RNA技术
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根据反义RNA的作用机制可将其分为3类： Ⅰ类反义RNA直接作用于靶mRNA的S D序列(ShineDalgarno sequence）和(或)部分编码区，直接抑制翻译 ，或与靶mRNA结合形成双链RNA，从而易被RNA酶Ⅲ 降解

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Ⅱ类反义RNA与mRNA的非编码区结合，引起mRNA构象变化 ，抑制翻译； Ⅲ类反义RNA则直接抑制靶mRNA的转录。

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反义RNA技术的原理
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利用基因重组构建人工表达载体,使其体外 或体内表达反义RNA,通过碱基互补与靶RNA 配对结合,封闭或抑制靶基因的表达,从而对 细胞的功能产生影响

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这个奇怪的现象直到3年后1998才被解开———华盛顿卡耐基研究院 的Andrew Fire和马萨诸塞大学癌症中心的Craig Mello首次将双链 dsRNA———正义链和反义链的混合物注入线虫,结果诱发了比单独注 射正义链或者反义链都要强得多的基因沉默。 将制备的RNA高度纯化 后发现，正义RNA无基因抑制作用，反义RNA的基因抑制作用也很微弱 ，而用纯化后的dsRNA注入线虫，却能高效、特异地阻断相应基因的 表达 。实际上每个细胞只要很少几个分子的

二 : 膜过滤技术原理及应用

膜过滤技术原理及应用天津大学化工学院

王志教授

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

内容

1、固液分离膜

2、微滤过程

3、超滤过程

4、渗滤过程

5、纳滤过程

6、膜过滤通量衰减及其防治

7、膜器及膜过程设计

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

1、固液分离膜

微滤膜：膜孔径0.02-10μm超滤膜：膜孔径1-100nm??

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

膜结构

?膜结构的层次形态结构结晶态结构分子态结构

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

表层结构?

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?无孔，致密，平滑球形小瘤聚集体，凹凸开放的网络孔孔洞，针孔，亮点

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

过渡层与支撑层结构?

?近似球形孔（海绵状结构）指状孔或大孔穴

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

不同类型膜横断面示意图

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

不对称聚砜超滤膜横截面——海绵状（蜂窝状）孔结构

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

指状孔结构

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

陶瓷微滤膜（a）阳极氧化法（表面）（b）烧结法（图上部为横断面）

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

微孔陶瓷膜扫描电镜照片

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

聚合物微滤膜

(a)相转化法, （b）拉伸法；（c）径迹蚀刻法

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

中空纤维超滤膜

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

2 微滤过程

2.1 特性

1. 分离目的: 得到不含粒子的液体或气体

2. 截留物的尺寸与性质:0.02-10 mm 粒子

3.透过膜的物质:不含粒子的液体或气体

4. 推动力: 压力差, ～0.2 MPa

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

5. 传质/选择性机理: 筛分

6. 供料和渗透物的相态: 液体或气体

7. 流动形式: “死端过滤(dead-end

filtration)”或“错流过滤(cross-flow filtration)”

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

2.3 微滤应用

?制药工业的消毒：制药产品中细菌的去除；去除制药产品及其原料中的有机和无机粒子。[www.61k.com）抗生素的澄清

哺乳动物细胞的微过滤

饮料的澄清：啤酒，葡萄酒，矿泉水。???

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

?半导体生产工业中流体的纯化：空气过滤，化

学试剂过滤，去离子水过滤。（www.61k.com]

分析化验：微生物化验，粒子污染的监测，微孔膜上细胞生长的研究。

反渗透或超滤的预处理。??

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

3 超滤过程

3.1 特性

1.分离目的：得到无大分子溶质的溶液，无小分子溶质的大分子溶质溶液，或大分子溶质的分级。（www.61k.com）

2. 截留物的尺寸与性质:1-100nm 的大分子溶质，对应分子量300-500000。

3.透过膜的物质:微小溶质溶液。

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

4. 推动力: 压力差，0.2～1 MPa

5. 传质/选择性机理: 基本上是筛分

6. 供料和渗透物的相态: 液体

7. 流动形式: 多数是“错流过滤”

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

3.2 超滤应用?分离电泳漆过程的淋洗水洗水再利用。[www.61k.com］把漆循环到浸渍槽、使淋

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?酪乳清纺织定径剂浓缩／分离乳糖中的蛋白质、无机物去除苹果汁中的浊雾成分纺织品洗净后去除聚乙烯醇

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

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?去除红、白酒中的浊雾成分油/水乳化从焚化废水中浓缩金属切割油（润滑

剂）

聚合物胶乳从废水中浓缩的胶乳化液脱蜡分离低烷烃中的蜡

脱沥青重油脱沥青中溶剂回收/循坏喷雾干燥前的部分脱水????

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

?从细胞或细胞屑中分离低分子量有机

物／治疗剂

高岭土浓缩离心前粘土泥浆部分脱水水处理污泥脱水前的浓缩

截留非络合蛋白质中的配位络合物截留胶体硅、细菌????

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

4 渗滤/洗滤过程

4.1 过程描述

间歇过程：（1）稀释溶液（2）超滤（3）再稀释（4）再超滤。（www.61k.com）

连续过程：稀释（加水）和超滤同时连续进行。

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

4.2 DF与D的比较

1. 分离目的一样，都是为了脱除低分子量物质。[www.61k.com）

2. 推动力不同。DF为压差，D为浓度差。

3. DF实际是一种超滤过程。

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

5 纳滤过程

5.1纳滤特性?

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?“低压反渗透”或“低截留分子量超滤”压差：~1MPa截留物的尺寸：1-10 nm，(氨基酸，抗生素，染料)膜：荷电膜，中性膜截留数百分子量有机物或无机物，高价离子(大小与低价离子相当，0.1-0.2nm)

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

5.2纳滤的应用

?废水处理：电镀废水，纸浆和造纸废水，染料废水，食品加工废水，其它有害废水。[www.61k.com)?地表水和地下水处理——饮用水生产。海水软化与淡化

食品、药物、染料等的分离与提纯。??

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

6、膜过滤通量衰减及其防治通量衰减的原因

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?滤饼形成

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

6.1 浓差极化?

?浓差极化的概念及产生原因浓差极化的数学模型

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

6.2 膜污染?概念及产生原因?膜污染的影响?膜污染的防治?料液预处理

?膜组件和膜系统设计?操作策略?膜清洗

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

7 膜器及膜工程设计

7.1 膜器类型及特点板框式膜器

卷式膜器

毛细管膜器

中空纤维膜器

管状（粗管）膜器

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

7.1.1 板框式膜器的特点

1、优点

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?制造、组装比较简单；膜的更换、清洗较易；坚固、耐用、可靠性好；原液流道截面积较大→压力损失较小；不易堵塞，对预处理要求较低。[www.61k.com）

适用范围较广。?

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

2、缺点

?对膜的机械强度要求高（由安装、更换和流体湍动造成的对膜的冲击）。［www.61k.com]

?密封边界长（增加了加工成本）

?流程短，流道截面积大→单程回收率低→在一定的浓缩比下，循环量和循环次数较多→泵的能耗增加，间隙操作时还容易造成温度上升。

3、适用场合

?原料液成分复杂

?原料液粘度大

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

平板膜及导流板

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

平板膜装置（板框式膜装置）

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

7.1.2 卷式膜器的特点?比板框膜器的装填密度高(单位体积中的膜面积称为装填密度)。[www.61k.com］

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?单个膜器的压力损失相对中空纤维膜器较小。对预处理的要求较板框式高。

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

卷式膜组件结构

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

卷式膜元件

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

卷式膜元件的生产与质量检验

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

7.1.3 中空纤维膜器的特点

1、优点

?无支撑体；

?膜器能做得非常小，也能很大；

23?装填密度很高（16000-30000 m/m)。（www.61k.com］

2、缺点

?纤维中的压力损失较大。

?纤维外的压力损失大（因纤维间距太小，阻力大）。?膜面污染去除较难，难以进行机械清洗，多采用化学清洗）。

?对原料液的预处理要求严格。

?纤维损坏后，无法更换。

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

7.1.4 毛细管膜器的特点?

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?无支撑体；膜器能做得非常小，也能很大；装填密度高对原料液的预处理要求比中空纤维膜器低。[www.61k.com)细管中的压力损失较中空纤维小。细管外的压力损失比中空纤维小（因细管间距较大）。

膜面污染去除较中空纤维易。?

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

中空纤维膜组件结构

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

中空纤维膜组件

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

7.1.5 管状（粗管）膜器的特点优点

?原料液流道较大，不易堵塞，对预处理的要求不高。（www.61k.com]

清洗较易（可采用化学方法，物理方法，机械方法）。?

缺点

?装填密度低

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

陶瓷膜元件

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

陶瓷膜组件

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

玻璃钢膜壳（内装膜元件）

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

玻璃钢膜壳端部结构示意图

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

7.2 膜过程其它设备1 、提供推动力的设备

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?离心泵，柱塞泵，螺杆泵真空泵压缩机提供电场的设备稳压罐

2 、冷却设备，冷凝设备

3 、加热设备

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

膜分离氮氧制造装置工艺流程图

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

膜过滤原理 膜过滤技术原理及应用

小型纯水装置

三 : ETC工作原理及技术

摘要：电子不停车收费技术是一种先进的电子收费技术方式，文章介绍 了电子不停车收费技术的研究及发展应用情况，并针对实际实施中遇到的问题，

提出了具体的研究内容及实施方案，为电子不停车技术的应用提供

依据。(www.61k.com］

关键词：；ETC；电子；停车收费；发展应用 ；标准

1、介绍

ETC技术在80年代开始兴起，90年代在世界各地使用，受到各国政府和企业的广泛重视，世界许多著名公司，如Amtech、TI、Boash、 Hitachi、Toyota等均竞相研制。因此ETC技术发展很快

1. 系统概念

电子不停车收费系统（Electronic Toll Collection,简称ETC）是国际上正在努力开发并推广普及的一种用于道路、大桥和隧道的电子收费系统,它的最大特点是不停车收费,即车辆可以以相当高的速度通过收费口,无须在收费站前减速和停车交费。采用不停车收费系统,可以使公路收费走向无纸化、无现金化管理,可以从根本上杜绝收费票款的流失现象,解决公路收费中的财务管理混乱问题。另外,实施不停车收费系统还可以节约基建费用和管理费用。

ETC系统是ITS领域中的一个重要方面。由于它涉及交通基础设施投资的回收，又是缓解收费站交通堵塞“瓶颈”的有效手段，减少了环境污染，所以各国都把不停车收费系统作为ITS领域最先投入应用的系统来开发。我国交通部门已经把不停车收费系统的开发和应用列为我国ITS领域首先启动的项目，并在“十五”期间列入交通科技的技术创新重点之一。

和传统的收费系统相比，ETC系统具有更高的通行能力，更少的基建投入，更低的日常运营费用，更好的服务水平,更好的发展趋势。ETC系统是将来公路收费的大势所趋，它在国外已经广泛应用，在国内的应用也正逐步开展。它高速便捷的特点，在给广大车主带来更多方便的同时，还给道路管理单位带来更多的资金收益，是利国、利民，适合社会发展，适应未来科技发展的新时代产品。

ETC系统按收费站收费方式，可分为开放式和封闭式；按收费站车道配置，可分为ETC专用车道、MTC车道和ETC/MTC混合车道三类。鉴于我国道路实际情况，在较长的一段时间内，ETC和MTC将共存。

2. 系统原理

ETC系统是利用微波（或红外或射频）技术、电子技术、计算机技术、通信和网络技术、信息技术、传感技术、图象识别技术等高新技术的设备和软件（包括管理）所组成的先进系统，以实现车辆无需停车既可自动收取道路通行费用。目前，大多数ETC系统均采用微波技术。

不停车收费系统通过路边车道设备控制系统的信号发射与接收装置（称为路边读写设备，简称RSE），识别车辆上设备（称为车载器，简称OBU）内特有编码，判别车型，计算通行费用，并自动从车辆用户的专用帐户中扣除通行费。对使用ETC车道的未安装车载器或车载器无效的车辆，则视作违章车辆，实施图象抓拍和识别，会同交警部门事后处理。

etc技术 ETC工作原理及技术

3. 系统构成

电子不停车收费系统可分为前台和后台系统：

（1）前台系统

包括三种核心设备:车辆自动识别系统(Au-tomatic Vehicle Identification简称AVI)、车辆自动分类系统(Automatic Vehicle Classification简称AVC)和录像实施系统(Video Enforcement System简称VES)。（www.61k.com］车辆自动识别系统采用无线调频设备(Ra-dio Frequency)识别用户的身份标识卡(TAG)及其有效性;车辆自动分类系统借助传感器组的信息确定车辆的收费类别;录像实施系统利用高速图像处理设备自动俘获违章车辆的车牌号码。核心设备与其他控制设备共同组成不停车系统的车道控制器。

① AVI

AVI分为两大类:激光设备与无线电调频设备。激光设备采用条码技术,扫描贴于车辆前端的条码,获取用户的身份标识(ID),缺点是易受环境条件、距离位置、条码安装与完整性等因素的影响。无线电调频设备采用无线波来识别贴于车辆前端的用户身份标识卡来识别用户身份,具有更高的可靠性;其中,无线频率(RF)常用的频率是5.8GHz。TAG分为只读TAG、可读写TAG、多功能TAG (带蜂鸣器、无线电信息收发等)三大类。

② AVC

AVC系统根据车辆的物理特性来确定车辆的收费类别。AVC的物理特性依据包括∶车辆的体积、重量、装载人数、车轴或车轮的数目、车辆的用途等等。AVC与一系列的车道传感器相连,传感器的信号提交事务处理系统后,由车辆分类单元判定收费类型。AVC设备包括∶前置线圈、感应踏板、发射光塔、扫描仪和高速摄像等设备。

③ VES

VES利用光学字符识别(OCR)技术自动获取非法车辆的车牌号码。VES摄录方式包括照片、录像带和数字影像等等。VES利用模糊识别技术,借助光学字符识别设备实现非法用户的车牌号码识别。VES过程包括∶感应触发、图像俘获、图像识别、图像储存、图像处理和图像删除等等。关键技术: API编程技术(控制外部设备,包括通信卡、DI/DO卡和声卡);单片机编程技术;快速查询算法;模糊识别;通信控制和图像处理。

2）后台系统

收费系统的后台系统工作任务主要为向客户发售车载标识卡,并做标识卡的初始化;接受客户补交金额和查询;接收前台收费数据文件;交易和结算;向前台和客户发送补交金额的黑名单指令和信息;存储、管理抓拍图像等。

它主要包括如下系统:计算机管理系统、道路运营管理系统、结算中心管理系统、客户服务中心管理系统、银行管理系统。实际上是一个具有财务结算性质的计算机网络,网络通过各个终端的工作,将数据文件迅速可靠地传送,利用专用软件正确地完成全部工作。

4. ETC系统的类型

ETC系统可分为收费站电子不停车收费系统和自由流不停车收费系统。

（1）收费站不停车收费系统

收费站不停车收费一般采取混合收费方式,既有不停车收费车道,又保留半

etc技术 ETC工作原理及技术

自动收费车道。［www.61k.com)其主要特征为:

① 与半自动收费车道并列设置。在收费车道中,根据使用情况开设部分ETC专用收费车道;

② 车辆通过收费车道的车速较低,通常为30km/h一50km/h,通过率为600辆/h一1000辆/h;

③ 在车道出口端设置自动栏杆,以防无卡车辆通过。

收费车道入口设置不停车收费车道标志和信号灯。由于车辆密度不大,天线并不连续工作,无车辆通过时,天线处于休眠状态。在天线辐射区外的车道,埋设一个环行线圈,当车辆进入线圈工作区时,线圈发出信号,激活天线进入工作状态。车辆进入通信区,通过微波天线,车载标识卡响应天线的询问信息,将客户身份与车型代码上传给车道天线,由天线转送给车道控制机进行核查,如为有效合法卡,车道放行,信号灯变绿,如果进一步交换信息,读写数据,可继续通信,直到收费过程结束,如果进入车道的车辆为非法无效卡车,或是无标识卡的车辆,车道控制机将根据天线传送的信息,指令自动栏杆关闭,拦截非法车辆,并发出声光警报,现场人员将对其进行处理。车道控制机将收集到的数据上传至后台系统,进行数据交换和清算等,并将需要发布的结果下传车道。

扩展：etc工作原理 / etc技术原理 / etc工作原理图

这种方式适用于不停车收费用户在所有缴费用户中并非多数的情况。

（2）自由流不停车收费系统

自由流不停车收费系统在道路主线上每隔一定里程设置一个横跨道路上空的龙门架,架上安装不停车收费设备,实施分段开放式不停车收费。车辆无须减速,以正常行驶速度完成收费工作。其主要特征为:

① 无收费岛、亭之类设施;

② 进入收费点时无须减速,车辆继续高速行驶;

③ 需要建立一套高精度逃费取证处理系统,现场抓拍捕捉车辆逃费证据,以便于以后依法处理,目前大多采用高速、高分辨率的摄像机对车辆牌照进行抓拍;

④ 在收费点附近,需建造一条与主线平行的普通收费车道,以便对非法无效卡车或无标识卡的车辆收费;

⑤ 车道天线控制器能控制多部天线并行工作,与多辆车载标识卡同时通信。

此系统主要优点为减少收费站建设投资,车速高,无行车延误,车辆通行能力接近2000辆/h。但设备投资大,技术上实现难度也较大,特别是如何防止和遏制逃费车辆是关键技术。这种方式适用于不停车收费用户在所有缴费用户中已成为大多数的情况。

5. 系统工作流程

高速公路收费的特点是不仅要按照车型分类标准收费,而且按照入出口的距离标准进行收费。各种类型的不停车收费系统的收费过程基本相同,其原理是在车辆上安装一种标识卡,在ETC收费车道上安装有车载标识卡的读写设备,当车辆进入ETC收费车道时,标识卡以微波通信方式与该车道的天线进行双向数据交换,从卡上读取车牌照号、车型等数据,如需要也可向车载标识卡上写入信息,系统根据读取的信息,识别车辆合法与否,进行数据处理,计算收费金额,并从其账户上扣除相应金额,记录交易数据,控制车道外部设备等,具体流程为:

（1）后台系统初始化车载标识卡,将车牌照号、车型、收费率等数

etc技术 ETC工作原理及技术

据写入标识卡,并发放给客户,建立有关客户档案;

（2）车辆进入ETC收费车道,感应天线激活线圈,进而激活微波天线,读取标识卡上的信息,并传送给车道控制机进行核查;

（3）如为合法车辆,则进行收费交易,依据后台系统完成清算,通行灯将会变绿,显示收费额和余额,车辆通过,记录数据;

（4）如为非法车辆,车道控制机触发报警信号,同时控制自动栏杆下落,关闭车道,车道摄像机进行图像抓拍,车辆进行人为处理。（www.61k.com］

6. 技术及其标准化

根据国内外ETC的建设经验, ETC系统的建设首先要作好ETC相关技术与设备标准的选择,在规范、统一的标准平台上进行后台系统的建设。ETC标准化工作是一项综合性的基础工作,是制定ETC技术法规的基础,对促进技术进步,提高总体应用效果,提高社会经济效益具有重要作用。

目前国际上在ETC相关技术与设备标准的研究和制定工作中已取得了显著的成果。国际标准化组织(ISO)第204技术委员会第15工作组负责专用短程通信协议DSRC标准的制定,电子不停车收费系统中车道天线和车载电子标签所采用的通信协议就是DSRC。

7. 系统实施效果

与现行的大多数公路收费系统相比,不停车电子收费系统具有以下特点:

(1)系统有效地提高了车道的车辆通过能力,加快了收费速度,提高了公路利用率。

(2)系统从根本上杜绝了收费工作中的贪污作弊现象。

(3)一卡通行多个收费站,方便驾车者。

(4)降低油耗,减少刹车时造成的机件损耗,减少空气和噪声污染。

(5)系统工作安全可靠,管理简单。

(6)为今后的智能车辆公路管理系统打下了良好的技术基础。

扩展：etc工作原理 / etc技术原理 / etc工作原理图

四 : 蓝牙技术及其原理综述

蓝牙技术及其原理综述

Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和移动通信的迅速发展，使人们对电脑以外的各种数据源和网络服务的需求日益增长。（www.61k.com］蓝牙作为一个全球开放性无线应用标准，通过把网络中的数据和语音设备用无线链路连接起来，使人们能够随时随地实现个人区域内语音和数据信息的交换与传输，从而实现快速灵活的通信。

一、蓝牙出现的背景

早在１９９４年，瑞典的Ｅrｉｃｓｓｏｎ公司便已经着手蓝牙技术的研究开发工作，意在通过一种短程无线链路，实现无线电话用ＰＣ机、耳机及台式设备等之间的互联。１９９８年２月， Ｅｒｉｃｓｓｏｎ、Ｎｏｋｉａ、Ｉｎｔｅｌ、Ｔｏｓｈｉｂａ和ＩＢＭ共同组建特别兴趣小组。在此之后，３Ｃｏｍ、 Ｌｕｃｅｎｔ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ和Ｍｏｔｏｒｏｌａ也相继加盟蓝牙计划。它们的共同目标是开发一种全球通用的小范围无线通信技术，即蓝牙。它是针对目前近距的便携式器件之间的红外线链路（ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌｉｎｋ，简称ＩｒＤＡ）而提出的。应用红外线收发器链接虽然能免去电线或电缆的连接，但是使用起来有许多不便，不仅距离只限于１～２ｍ，而且必须在视线上直接对准，中间不能有任何阻挡，同时只限于在两个设备之间进行链接，不能同时链接更多的设备。"蓝牙"技术的目的是使特定的移动电话、便携式电脑以及各种便携式通信设备的主机之间在近距离内实现无缝的资源共享。

蓝牙是一个开放性的无线通信标准，它将取代目前多种电缆连接方案，通过统一的短程无线链路，在各信息设备之间可以穿过墙壁或公文包，实现方便快捷、灵活安全、低成本小功耗的话音和数据通信。它推动和扩大了无线通信的应用范围，使网络中的各种数据和语音设备能互连互通，从而实现个人区域内的快速灵活的数据和语音通信。

二、蓝牙中的主要技术

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接的短程无线电技术。其实质内容是要建立通用的无线电空中接口（ｒａｄｉｏ ａｉｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内具有互用、互操作的性能（ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ）。

"蓝牙"技术的作用是简化小型网络设备（如移动ＰＣ、掌上电脑、手机）之间以及这些设备与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ之间的通信，免除在无绳电话或移动电话、调制解调器、头套式送／受话器、ＰＤＡ、计算机、打印机、幻灯机、局域网等之间加装电线、电缆和连接器。此外，蓝牙无线技术还为已存在的数字网络和外设提供通用接口以组建一个远离固定网络的个人特别连接设备群。

蓝牙的载频选用在全球都可用的２.４５ＧＨｚ工业、科学、医学（ＩＳＭ）频带，其收发信机采用跳频扩谱（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｈｏｐｐｉｎｇ Ｓｐｒｅａｄ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）技术，在２.４５ＧＨｚ ＩＳＭ频带上以１６００跳／ｓ的速率进行跳频。依据各国的具体情况，以２．４５ＧＨｚ为中心频率，最多可以得到７９个１ＭＨｚ带宽的信道。在发射带宽为１ＭＨｚ时，其有效数据速率为７２１ｋｂｉｔ／ｓ，并采用低功率时分复用方式发射，适合３０英尺（约１０ ｍ）范围内的通信。数据包在某个载频上的某个时隙内传递，不同类型的数据（包括链路管理和控制消息）占用不同信道，并通过查询（ｉｎｑｕｉｒｙ）和寻呼（ｐａｇｉｎｇ）过程来同步跳频频率和不同蓝牙设备的时钟。除采用跳频扩谱的低功率传输外，蓝牙还采用鉴权和加密等措施来提高通信的安全性。

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蓝牙技术 蓝牙技术及其原理综述

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蓝牙支持点到点和点到多点的连接，可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一个微微网（Ｐｉｃｏｎｅｔ），多个微微网又可互连成特殊分散网，形成灵活的多重微微网的拓扑结构，从而实现各类设备之间的快速通信。(www.61k.com)它能在一个微微网内寻址８个设备（实际上互联的设备数量是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活８个，其中１个为主?７个为从）。

蓝牙技术涉及一系列软硬件技术、方法和理论，包括无线通信与网络技术，软件工程、软件可靠性理论，协议的正确性验证、形式化描述和一致性与互联测试技术，嵌入式实时操作系统（Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ＲＴＯＳ），跨平台开发和用户界面图形化技术，软硬件接口技术（如ＲＳ２３２，ＵＡＲＴ，ＵＳＢ等），高集成、低功耗芯片技术等。

三、蓝牙系统组成

蓝牙系统一般由天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议栈）单元四个功能单元组成。

１．天线单元

蓝牙要求其天线部分体积十分小巧、重量轻，因此，蓝牙天线属于微带天线。蓝牙空中接口是建立在天线电平为０ ｄＢ的基础上的。空中接口遵循Ｆｅｄｅｒａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ（简称ＦＣＣ，即美国联邦通信委员会）有关电平为 ０ ｄＢ的ＩＳＭ频段的标准。如果全球电平达到 １００ ｍｗ以上，可以使用扩展频谱功能来增加一些补充业务。频谱扩展功能是通过起始频率为２.４０２ＧＨｚ，终止频率为２.４８０ＧＨｚ，间隔为１ＭＨｚ的79个跳频频点来实现的。出于某些本地规定的考虑，日本、法国和西班牙都缩减了带宽。最大的跳频速率为１６６０跳／ｓ。理想的连接范围为１００ｍｍ～１０ｍ，但是通过增大发送电平可以将距离延长至１００ｍ。 蓝牙工作在全球通用的２．４ＧＨｚＩＳＭ（即工业、科学、医学）频段。蓝牙的数据速率为１Ｍｂｉｔ／ｓ。ＩＳＭ频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等，都可能是干扰源。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保键路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（ｈｏｐ ｃｈａｎｎｅｌ），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列（即一定的规律，技术上叫做"伪随机码"，就是"假"的随机码）不断地从一个信道"跳"到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其它的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能造成的影响变得很小。时分双工（Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｄｕｐｌｅｘ，简称ＴＤＤ）方案被用来实现全双工传输。

与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统都更稳定。ＦＥＣ（Ｆｏｒｗａｒｄ Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ，前向纠错）的使用抑制了长距离链路的随机噪音；应用了二进制调频（ＦＭ）技术的跳频收发器被用来抑制干扰和防止衰落。

２．链路控制（固件）单元

在目前蓝牙产品中，人们使用了３个ＩＣ分别作为联接控制器、基带处理器以及射频传输／接收器， 欢迎光临中国最大的电子工程师应用网站

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本站所有资料版权归原作者所有 严禁用于商业用途 此外还使用了３０～５０个单独调谐元件。(www.61k.com] 基带链路控制器负责处理基带协议和其它一些低层常规协议。它有３种纠错方案：１／３比例前向纠错（ＦＥＣ）码、２／３比例前向纠错码和数据的自动请求重发方案。采用ＦＥＣ（前向纠错）方案的目的是为了减少数据重发的次数，降低数据传输负载。但是，要实现数据的无差错传输，ＦＥＣ就必然要生成一些不必要的开销比特而降低数据的传送效率。这是因为数据包对于是否使用ＦＥＣ是弹性定义的。报头总有占１／３比例的ＦＥＣ码起保护作用，其中包含了有用的链路信息。 在无编号的ＡＲＱ方案中，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到"收到"的确认。 只有数据在收端通过了报头错误检测和循环冗余检测后认为无错才向发端发回确认消息，否则返回一个错误消息。比如蓝牙的话音信道采用Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｓｌｏｐｅ Ｄｅｌｔａ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（简称ＣＶＳＤ，即连续可变斜率增量调制技术）话音编码方案，获得高质量传输的音频编码。ＣＶＳＤ编码擅长处理丢失和被损坏的语音采样，即使比特错误率达到４％，ＣＶＳＤ编码的语音还是可听的。

３．路管理（软件）单元

链路管理（ＬＭ）软件模块携带了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。ＬＭ能够发现其它远端ＬＭ并通过ＬＭＰ（键路管理协议）与之通信。

ＬＭ模块提供如下服务：

·发送和接收数据。

·请求名称。

·链路地址查询。

·建立连接。

·鉴权。

·链路模式协商和建立。

·决定帧的类型。

·将设备设为ｓｎｉｆｆ（呼吸）模式。Ｍａｓｔｅｒ（主机）只能有规律地在特定的时隙发送数据。

·将设备设为ｈｏｌｄ?保持?模式。工作在ｈｏｌｄ模式的设备为了节能在一个较长的周期内停止接收数据，每一次激活链路，这由ＬＭ定义，ＬＣ（链路控制器）具体操作。

·当设备不需要传送或接收数据但仍需保持同步时将设备设为暂停模式。处于暂停模式的设备周期性地激活并跟踪同步，同时检查ｐａｇｅ消息。

·建立网络连接。在ｐｉｃｏｎｅｔ内的连接被建立之前，所有的设备都处于ｓｔａｎｄｂｙ（待命） 欢迎光临中国最大的电子工程师应用网站

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本站所有资料版权归原作者所有 严禁用于商业用途 状态。(www.61k.com］在这种模式下，未连接单元每隔１.２８ｓ周期性地"监听"信息。每当一个设备被激活，它就监听规划给该单元的３２个跳频频点。跳频频点的数目因地理区域的不同而异，３２这个数字适用于除日本、法国和西班芽之外的大多数国家。作为ｍａｓｔｅｒ的设备首先初始化连接程序，如果地址已知，则通过寻呼（ｐａｇｅ）消息建立连接，如果地址未知，则通过一个后接ｐａｇｅ消息的ｉｎｑｕｉｒｙ（查询）消息建立连接。在最初的寻呼状态，ｍａｓｔｅｒ单元将在分配给被寻呼单元的１６个跳频频点上发送一串１６个相同的ｐａｇｅ消处。如果没有应答，ｍａｓｔｅｒ则按照激活次序在剩余６个频点上继续寻呼。Ｓｌａｖｅ?从机?收到从ｍａｓｔｅｒ发来的消息的最大的延迟时间为激活周期的２倍?２.５６ｓ?，平均延迟时间是激活周期的一半（０.６S）。Ｉｎｑｕｉｒｙ消息主要用来寻找蓝牙设备，如共享打印机、传真机和其它一些地址未知的类似设备，Ｉｎｑｕｉｒｙ消息和ｐａｇｅ消息很相像，但是Ｉｎｑｕｉｒｙ消息需要一个额外的数据串周期来收集所有的响应。如果ｐｉｃｏｎｅｔ中已经处于连接的设备在较长一段时间内没有数据传输，蓝牙还支持节能工作模式。ｍａｓｔｅｒ可以把ｓａｌｖｅ置为ｈｏｌｄ（保持）模式，在这种模式下，只有一个内部计数器在工作。ｓｌａｖｅ也可以主动要求被置为ｈｏｌｄ模式。Ｈｏｌｄ模式一般被用于连接好几个ｐｉｃｏｎｅｔ的情况下或者耗能低的设备，如温度传感器。除ｈｏｌｄ模式外，蓝牙还支持另外两种节能工作模式：ｓｎｉｆｆ（呼吸）模式和ｐａｒｋ（暂停）模式。在ｓｎｉｆｆ模式下，ｓｌａｖｅ降低了从ｐｉｃｏｎｅｔ"收听"消息的速率，"呼吸"间隔可以依应用要求做适当的调整。在ｐａｒｋ模式下，设备依然与ｐｉｃｏｎｅｔ同步但没有数据传送。工作在ｐａｒｋ模式下的设备放弃了ＭＡＣ地址，偶尔收听ｍａｓｔｅｒ的消息并恢复同步、检查广播消息。如果我们把这几种工作模式按照节能效率以升序排队，那么依次是：呼吸模式、保持模式和暂停模式。

·连接类型和数据包类型。连接类型定义了哪种类型的数据包能在特别连接中使用。蓝牙基带技术支持两种连接类型：同步定向连接（Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｏｒｉｅｎｔｅｄ，简称ＳＣＯ）类型，主要用于传送话音；异步无连接（Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｌｅｓｓ?简称ＡＣＬ）类型，主要用于传送数据包。

同一个ｐｉｃｏｎｅｔ中不同的主从对可以使用不同的连接类型，而且在一个阶段内还可以任意改变连接类型。每个连接类型最多可以支持１６种不同类型的数据包，其中包括４个控制分组，这一点对ＳＣＯ和ＡＣＬ来说都是相同的。两种连接类型都使用ＴＤＤ（时分双工传输方案）实现全双工传输。 ＳＣＯ连接为对称连接，利用保留时隙传送数据包。连接建立后，ｍａｓｔｅｒ和ｓｌａｖｅ可以不被选中就发送ＳＣＯ数据。ＳＣＯ数据包既可以传送话音，也可以传送数据，但在传送数据时，只用于重发被损坏的那部分的数据。

ＡＣＬ链路就是定向发送数据包，它既支持对称连接，也支持不对称连接。ｍａｓｔｅｒ负责控制链路带宽，并决定ｐｉｃｏｎｅｔ中的每个ｓｌａｖｅ可以占用多少带宽和连接的对称性。ｓｌａｖｅ只有被选中时才能传送数据。ＡＣＬ链路也支持接收ｍａｓｔｅｒ发给ｐｉｃｏｎｅｔ中所有ｓｌａｖｅ的广播消息。

·鉴权和保密。蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息保密机制。鉴权基于"请求一响应"运算法则。鉴权是蓝牙系统中的关键部分，它允许用户为个人的蓝牙设备建立一个信任域，比如只允许主人自己的笔记本电脑通过主人自己的移动电话通信。加密被用来保护连接的个人信息。密钥由程序的高层来管理。网络传送协议和应用程序可以为用户提供一个较强的安全机制。

４．软件（协议栈）单元

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蓝牙的软件（协议栈）单元是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑。(www.61k.com]它必须符合已经制定好的蓝牙规范。蓝牙规范是为个人区域内的无线通信制定的协议，它包括两部分：第一部分为核心（Ｃｏｒｅ）部分，用以规定诸如射频、基带、连接管理、业务搜寻（ｓｅｒｖｉｃｅ ｄｉｓｃｏｖｅｒｙ）、传输层以及与不同通信协议间的互用、互操作性等组件；第二部分为协议子集（Ｐｒｏｆｉｌｅ）部分，用以规定不同蓝牙应用（也称使用模式）所需的协议和过程。

蓝牙规范的协议栈仍采用分层结构，分别完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、业务质量（ＱｏＳ）、协议的复用和分用等功能。在设计协议栈，特别是高层协议时的原则就是最大限度地重用现存的协议，而且其高层应用协议（协议栈的垂直层）都使用公共的数据链路和物理层。

蓝牙协议可以分为４层，即核心协议层、电缆替代协议层、电话控制协议层和采纳的其它协议层。 ?

１、核心协议

蓝牙的核心协议由基带、链路管理（ＬＭＰ）、逻辑链路控制与适应协议（Ｌ２ＣＡＰ）和业务搜寻协议（ＳＤＰ）等四部分组成。从应用的角度看，射频、基带和ＬＭＰ可以归为蓝牙的低层协议，它们对应用而言是十分透明的。基带和ＬＭＰ负责在蓝牙单元间建立物理射频链路，构成微微网。此外，ＬＭＰ还要完成像鉴权和加密等安全方面的任务，包括生成和交换加密键、链路检查、基带数据包大小的控制、蓝牙无线设备的电源模式和时钟周期、微微网内蓝牙单元的连接状态等。逻辑链路控制与适应协议（Ｌ２ＣＡＰ）完成基带与高层协议间的适配，并通过协议复用、分用及重组操作为高层提供数据业务和分类提取，它允许高层协议和应用接收或发送长达６４ Ｋ字节的Ｌ２ＣＡＰ数据包。业务搜寻协议（ＳＤＰ）是极其重要的部分，它是所有使用模式的基础。通过ＳＤＰ，可以查询设备信息、业务及业务特征，并在查询之后建立两个或多个蓝牙设备间的连接。ＳＤＰ支持３种查询方式：按业务类别搜寻、按业务属性搜寻和业务浏览（ｂｒｏｗｓｉｎｇ）。 ?

２、电缆替代协议

串行电缆仿真协议（ＲＦＣＯＭＭ）像ＳＤＰ一样位于Ｌ２ＣＡＰ之上，作为一个电缆替代（ｃａｂｌｅ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ）协议，它通过在蓝牙的基带上仿真ＲＳ－２３２的控制和数据信号，为那些将串行线用作传输机制的高级业务（如ＯＢＥＸ协议）提供传输能力。该协议由蓝牙特别兴趣小组在ＥＴＳＩ的ＴＳ０７．１０基础上开发而成。 ?

３、电话控制协议

电话控制协议包括电话控制规范二进制（ＴＣＳＢＩＮ）协议和一套电话控制命令（ＡＴ－ｃｏｍｍａｎｄｓ）。其中，ＴＣＳ ＢＩＮ定义了在蓝牙设备间建立话音和数据呼叫所需的呼叫控制信令；ＡＴ－ｃｏｍｍａｎｄｓ则是一套可在多使用模式下用于控制移动电话和调制解调器的命令，它由蓝牙特别兴趣小组在ＩＴＵ－Ｔ Ｑ．９３１的基础上开发而成。 ?

４、采纳的其它协议

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电缆替代层、电话控制层和被采纳的其它协议层可归为应用专用（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－ｓｐｅｃｉｆｉｃ）协议。（www.61k.com］在蓝牙中，应用专用协议可以加在串行电缆仿真协议之上或直接加在Ｌ２ＣＡＰ之上。被采纳的其它协议有ＰＰＰ、ＵＤＰ／ＴＣＰ／ＩＰ、ＯＢＥＸ、ＷＡＰ、ＷＡＥ、ｖＣａｒｄ、ｖＣａｌｅｎｄａｒ等。在蓝牙技术中，ＰＰＰ运行于串行电缆仿真协议之上，用以实现点到点的连接。ＵＤＰ／ＴＣＰ／ＩＰ由ＩＥＴＦ定义，主要用于Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上的通信。ＩｒｏＢＥＸ（ｓｈｏｒｔ ＯＢＥＸ）是红外数据协会（ＩｒＤＡ）开发的一个会话协议，能以简单自发的方式交换目标，ＯＢＥＸ则采用客户一服务器模式提供与ＨＴＴＰ相同的基本功能。ＷＡＰ是由ＷＡＰ论坛创建的一种工作在各种广域无线网上的无线协议规范，其目的就是要将Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和电话业务引入数字蜂窝电话和其它无线终端。ｖＣａｌｄ和ｖＣａｌｅｎｄａｒ则定义了电子商务卡和个人日程表的格式。 在蓝牙协议栈中，还有一个主机控制接口（ＨＣＩ）和音频（Ａｕｄｉｏ）接口。ＨＣＩ是到基带控制器、链路管理器以及访问硬件状态和控制寄存器的命令接口。利用音频接口，可以在一个或多个蓝牙设备之间传递音频数据，该接口与基带直接相连。

蓝牙技术把各种便携式计算机设备与蜂窝移动电话用无线链路连接起来，使计算机与通信更加密切结合起来，使人们能随时随地进行数据信息的交换与传输。因此蓝牙技术虽然出现不久，但已受到许多行业的关注。据国际开发中心（ＩＤＣ）预测，到２００４ 年，蓝牙在美国将被嵌入到１０２万台设备内，在全世界将被嵌入到４４９万台设备内；到２００６年内，其市场规模将达到７亿美元。今年底，６％的数字式移动电话将注入蓝牙技术，一个全新的无线通信时代已经开始。 蓝牙技术在电信业、计算机业、家电业有着极其广阔和诱人的应用前景，它也将对未来的无线移动数据通信业务产生巨大的推动作用。蓝牙技术会有突飞猛进的发展。但是，它仍然有大量的应用技术细节问题需要解决，仍然是一项发展中的技术。例如，为了防止语音和数据信息误传或被截收，用户必须事先为自己应用的各种设备设定某个共同的频率，即不同的用户有不同的频率，这样才能保证无线连接时不发生误传或被滥用。蓝牙标准还无法解决硬件兼容性，从而扩展到运行在蓝牙技术之上的软件。另外，蓝牙标准本身能否解决好安全问题，也是蓝牙能否获得成功的关键因素。

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本文标题：mimo技术原理及应用-RNA干扰技术原理及应用
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