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1 引言 Bluetooth（藍(lán)牙）作為新的短程無(wú)線電通信技術(shù)，可以隨時(shí)隨地用無(wú)線接口來(lái)代替有線電纜連接，可應(yīng)用于多種通信場(chǎng)合，如WAP、GSM、 DECT等完成身份識(shí)別后可以靈活實(shí)現(xiàn)漫游，推動(dòng)和擴(kuò)大了無(wú)線通信的應(yīng)用范圍，使網(wǎng)絡(luò)中的各種數(shù)字和語(yǔ)音設(shè)備互連互通，實(shí)現(xiàn)個(gè)人區(qū)域內(nèi)快速靈便的數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信以及資源共享。Bluetooth技術(shù)在電信、計(jì)算機(jī)、家電等方面有著廣闊的應(yīng)用前景[4] ，計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間通過(guò)Bluetooth技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)和數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸；打印機(jī)、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)通過(guò)Bluetooth成為無(wú)線的可移動(dòng)外設(shè)；各種家電和辦公設(shè)備通過(guò)Bluetooth技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。由Bluetooth 基帶控制器和無(wú)線射頻接收器接口組成Bluetooth模塊，可向數(shù)字和語(yǔ)音設(shè)備提供全兼容的Bluetooth 接口。通過(guò)Bluetooth 模塊的UART/PCM和USB與應(yīng)用設(shè)備的接口，可構(gòu)成Bluetooth 設(shè)備。Bluetooth 模塊功耗低，對(duì)人體危害小，應(yīng)用簡(jiǎn)單，成本低廉，容易實(shí)現(xiàn)，易于推廣。 2 Bluetooth系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Bluetooth系統(tǒng)的功能由無(wú)線射頻收發(fā)器、基帶鏈路控制器、鏈路管理與控制以及協(xié)議棧（軟件）等部分組成（圖1），其中無(wú)線射頻收發(fā)器和基帶控制器配合可構(gòu)成完整的低功耗的Bluetooth模塊，提供高至主機(jī)控制器接口（HCI）層的功能。Bluetooth 無(wú)線射頻收發(fā)器完成空中接口的功能，采用跳頻擴(kuò)譜（FHSS）技術(shù)，在2.45GHz ISM頻段上，從起始頻率2.420GHz到終止頻率2.480GHz之間分成79個(gè)1MHz帶寬的跳頻信道，每個(gè)信道分配625μs的時(shí)間，稱為時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙用不同的跳頻信號(hào)，用偽隨機(jī)序列碼來(lái)控制，以1600次/秒的速率進(jìn)行切換，采用分時(shí)雙全工（TDD）方式發(fā)射與接收，在發(fā)射帶寬為1MHz時(shí)，有效數(shù)據(jù)速率為721kbit/s。Bluetooth無(wú)線射頻遵循FCC（美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)）有關(guān)電平為0dBm的ISM頻段標(biāo)準(zhǔn)，空中鏈接范圍可達(dá)10m。 Bluetooth基帶鏈路控制器負(fù)責(zé)處理基帶協(xié)議和其他一些低層常規(guī)協(xié)議，完成基帶以及鏈路的管理和控制，包括物理連接、分組、糾錯(cuò)、邏輯信道、信道管理與控制、語(yǔ)言編解碼和加密等功能。Bluetooth支持點(diǎn)與點(diǎn)和點(diǎn)與多點(diǎn)的連接，可采用無(wú)線方式將各個(gè)Bluetooth設(shè)備連成一個(gè)圍繞個(gè)人的微微網(wǎng)（Piconet），一個(gè)Piconet最多可以有256 個(gè)Bluetooth設(shè)備，其中一個(gè)主設(shè)備和七個(gè)從設(shè)備，而其他設(shè)備則處于待機(jī)狀態(tài)。幾個(gè)Piconet 可以進(jìn)一步互連形成分散網(wǎng)，一個(gè)Piconet 中的主/從設(shè)備可以是另一個(gè)Piconet 中的主/從設(shè)備。Bluetooth基帶控制器提供兩種連接方式，實(shí)時(shí)的頻載波的射頻頻率，經(jīng)環(huán)路濾波器濾波的調(diào)整電壓用來(lái)改變VCO-tank的選擇信道。接收平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器是將來(lái)自天線不平衡的無(wú)線電信號(hào)與片內(nèi)平衡信號(hào)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，平衡信號(hào)可較好地抑制共模干擾，發(fā)送平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器將發(fā)送信號(hào)從平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)換為不平衡狀態(tài)，以便天線發(fā)射。天線開(kāi)關(guān)同步面向連接（SCO）和非實(shí)時(shí)的異步無(wú)連接（ACL），其中SCO為對(duì)稱連接，主要傳送語(yǔ)音或數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)性強(qiáng)的信號(hào)，必須在規(guī)定的時(shí)隙傳輸；ACL則以數(shù)據(jù)為主，可在任意實(shí)隙傳送。數(shù)據(jù)被打包，分組傳輸，在同一個(gè)Piconet 中不同的主從對(duì)可以使用不同的連接類型；SCO和ACL支持不同類型的數(shù)據(jù)包，都使用TDD實(shí)現(xiàn)雙全工傳輸�；鶐Э刂破魈峁┤N糾錯(cuò)方法：1/3比例前向糾錯(cuò)碼FEC、2/3比例前向糾錯(cuò)碼和數(shù)據(jù)自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā) ARQ。 Bluetooth的點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信連接和數(shù)據(jù)傳輸是靠各層協(xié)議之間的配合與互相解釋來(lái)實(shí)現(xiàn)的，大部分的Bluetooth協(xié)議棧被加載到Flash ROM中。 3 Bluetooth 無(wú)線射頻收發(fā)器 PH2401的結(jié)構(gòu)特性 PHILSAR公司提供的單片無(wú)線收發(fā)器PH2401 是短程Bluetooth通信系統(tǒng)的前端，采用砷化鎵工藝制造，具有高集成度、超低功耗、體積小等優(yōu)點(diǎn)，專門(mén)優(yōu)化用于2.4GHz無(wú)線個(gè)人系統(tǒng)，完全兼容Bluetooth規(guī)范。PH2401采用調(diào)制指數(shù)為0.3的高斯頻移鍵控（GFSK）調(diào)制方式，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由7個(gè)操作子塊組成，圖2示出各個(gè)子塊之間的互操作性。其中壓控振蕩器VCO-tank產(chǎn)生每一時(shí)隙的跳既可以從天線濾波到接收端口的轉(zhuǎn)換，也可以是從射頻控制部分的輸出端口到天線濾波器的轉(zhuǎn)換，天線開(kāi)關(guān)的控制由TX-ON端口的設(shè)置來(lái)完成。 Bluetooth無(wú)線射頻收發(fā)器采用跳頻/時(shí)分雙工的傳輸機(jī)制，收發(fā)在不同的頻率和不同的時(shí)隙中，且留有220μs的收發(fā)切換時(shí)間。天線濾波器濾除接收模式時(shí)的干擾和減少發(fā)送模式時(shí)的諧波信號(hào)。 Bluetooth無(wú)線射頻收發(fā)器內(nèi)部最重要的部件是無(wú)線電數(shù)字信號(hào)處理器RDSP，這是利用射頻外差接收的信號(hào)處理與控制交換的RDSP，有大量的電路集成在這個(gè)處理器內(nèi)，如雙通道A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字鎖相與頻率合成器、串行接口、控制邏輯、可跳動(dòng)的低功耗振蕩器（LPO）、電源復(fù)位電路（POR）、分頻電路以及可編程控制邏輯寄存器。其中對(duì)指令寄存器IR的讀寫(xiě)實(shí)現(xiàn)跳頻、調(diào)諧等功能。而控制寄存器用于動(dòng)態(tài)自動(dòng)頻率補(bǔ)償（DAFC）來(lái)校正接收端的頻率漂移，有兩種控制模式，快模式提供較為粗略的頻率補(bǔ)償，主要用于接入碼；慢模式提供較為精確的補(bǔ)償，用在分組頭和數(shù)據(jù)負(fù)荷中。在無(wú)線電數(shù)字信號(hào)處理器RDSP中還設(shè)有接收功率增強(qiáng)度指示（RSSI）寄存器，可在每個(gè)時(shí)隙測(cè)量接收信號(hào)的強(qiáng)度并調(diào)整前端LNA 的增益，以限制混頻器的輸入信號(hào)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)快速自制器與PH2401無(wú)線收發(fā)器接口，需要發(fā)送的數(shù)據(jù)在鏈路控制器中被裝配，加上同步字、幀頭以及CRC校驗(yàn)字，并經(jīng)白化，是否進(jìn)行加密可由用戶選擇，收到的數(shù)據(jù)則在此被解碼、檢錯(cuò)。隊(duì)列管理器完成緩沖RAM與鏈路控制器以及USB或串行主機(jī)與音頻接口之間的智能DMA傳輸。同時(shí)識(shí)別不同格式的Bluetooth數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。動(dòng)增益控制AGC。 4 Bluetooth基帶控制器MT1020結(jié)構(gòu)特性 MITEL公司提供的MT1020符合Bluetooth基帶功能標(biāo)準(zhǔn)，完成基帶以及鏈路的管理與控制，包括SCO和ACL連接方式、差錯(cuò)控制、物理層的認(rèn)證與加密等。MT1020內(nèi)部時(shí)鐘可以低至5MHz，內(nèi)核供電電壓為2V，硬件解碼、支持DMA傳輸，這些特性使得MT1020具有超低功耗。MT1020由嵌入式微處理器和Bluetooth基帶外設(shè)組成（圖 3），其中基帶外設(shè)以最小的開(kāi)銷完成重要的Bluetooth操作，掛在向上集成模塊總線（UIMB）上，由總線接口、鏈路控制器、隊(duì)列管理器、緩沖RAM、音頻編解碼器等組成。其中總線接口完成微處理器與基帶外設(shè)之間的通信，基帶外設(shè)內(nèi)各個(gè)模塊之間使用專門(mén)的BT總線傳送數(shù)據(jù)。鏈路控音頻編解碼器是一個(gè)雙全工的編解碼器，具有麥克風(fēng)和耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其中的數(shù)字轉(zhuǎn)換器能夠進(jìn)行線性PCM、A律PCM、μ律PCM及連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（CVSDM）之間的相互轉(zhuǎn)換�；鶐Э刂破鱉T1020包含一個(gè)嵌入式微處理器內(nèi)核，來(lái)實(shí)現(xiàn)基帶及鏈路層的功能。嵌入式微處理器由32位RISC架構(gòu)的ARM7TDMI中央處理單元、專用的模塊交互總線（IMB）和其他一些功能塊組成。 ARM7TDMI是一款性能優(yōu)異的嵌入式CPU、具有極快的運(yùn)算速度和很低的功耗，利用其內(nèi)部的 Thumb指令壓解器可支持16位指令碼，并支持?jǐn)U展調(diào)試、快速乘法等功能、通過(guò)模塊交互總線與其他功能塊交換數(shù)據(jù)。其中外設(shè)控制器是MT1020A中內(nèi)部總線與外部總線進(jìn)行通信的主要通道，支持動(dòng)態(tài)總線寬度，并能產(chǎn)生訪問(wèn)外設(shè)所需要的控制信號(hào)。串行I/O用來(lái)連接各種串行接口器件，例如與串行EEPROM、串行時(shí)鐘等器件接口。ARM7TDMI處理器接受兩種中斷請(qǐng)求，普通中斷請(qǐng)求和快速中斷請(qǐng)求，根據(jù)用戶所需要的優(yōu)先級(jí)，所有中斷都可設(shè)置成兩種類型中的一種。中斷控制器能處理8個(gè)外部中斷和兩個(gè)內(nèi)部中斷，外部中斷可被編程設(shè)置成電平觸發(fā)或沿觸發(fā)。為減少中斷響應(yīng)的延遲時(shí)間，對(duì)每種類型的中斷，中斷控制器能進(jìn)行硬件優(yōu)先級(jí)判斷，以加快中斷實(shí)時(shí)響應(yīng)。 MT1020A提供兩個(gè)雙獨(dú)立32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，與系統(tǒng)時(shí)鐘同步，可以在程序中輪詢，也可設(shè)置成溢出中斷，并能自行重裝。在DMA控制器中有兩個(gè)引擎，可以配置成一對(duì)，從而支持ARM7TDMI中任意兩個(gè)內(nèi)存塊的DMA傳輸，也可以單獨(dú)使用。通用異步收發(fā)器接口形式為RS-232，支持硬件握手和XON/XOFF軟件協(xié)議，收發(fā)通道上各有一個(gè)緩沖器，可以在程序中輪詢，也可以使用中斷形式，其內(nèi)部的波特率發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生需要的數(shù)據(jù)速率。系統(tǒng)存儲(chǔ)器掛在UIM總線上，MT1020有20KB的內(nèi)部靜態(tài)RAM，用于程序變量的存儲(chǔ)，用戶需要外接一個(gè)外部Flash ROM來(lái)存儲(chǔ)Bluetooth鏈路控制和管理協(xié)議代碼及應(yīng)用軟件棧。在MT1020的下一個(gè)版本中，將提供片上ROM來(lái)存儲(chǔ)用戶代碼，簡(jiǎn)化用戶設(shè)計(jì)、降低功耗。 5 Bluetooth ASIC電路系統(tǒng)的 接口 目前多數(shù)Bluetooth應(yīng)用電路都是三芯片結(jié)構(gòu)：無(wú)線射頻收發(fā)器ASIC、基帶控制器ASIC和內(nèi)含Bluetooth軟件棧的程序存儲(chǔ)器Flash ROM。通過(guò)內(nèi)外接口以及UART/PCM和USB與應(yīng)用設(shè)備接口，構(gòu)成Bluetooth設(shè)備。 Bluetooth ASIC電路系統(tǒng)接口如圖4所示，PH2401無(wú)線射頻收發(fā)器與 MT1020基帶控制器之間經(jīng)過(guò)內(nèi)部接口，組成Bluetooth模塊。Bluetooth 模塊內(nèi)部接口過(guò)程由串行口、數(shù)據(jù)口、輸入控制和輸出控制口完成，其中基帶和射頻ASIC之間的通信在串行口（SI）上實(shí)現(xiàn)，串行口由控制數(shù)據(jù)輸入（SI-CDI）、控制模式選擇（SI-CMS）、控制時(shí)鐘（SI-CLK）以及控制數(shù)據(jù)輸出（SI-CDO）等信號(hào)組成�；鶐Э刂破魍ㄟ^(guò)串行口對(duì)無(wú)線射頻收發(fā)器內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)實(shí)現(xiàn)跳頻、調(diào)諧等控制，控制過(guò)程由SI-CLK （4MHz）上升沿時(shí)SI-CMS的輸入值來(lái)決定，SI-CMS及SI-CDI和SI-CDO的值將在SI-CLK的下降沿變化。指令寄存器（IR）的一個(gè)掃描周期在狀態(tài)信息下傳時(shí)開(kāi)始，即捕獲IR。串行接口的時(shí)序邏輯如圖5所示，串行接口在13MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘SYS-CLK及POR-EXT為高電平時(shí)操作有效。 Bluetooth 模塊與電源控制、晶振、天線以及駐留協(xié)議棧的程序存儲(chǔ)器Flash ROM等的外部接口，即可向數(shù)據(jù)和語(yǔ)音設(shè)備提供全兼容的Bluetooth接口。其中Flash ROM采用Intel公司的28F800B3T120，與基帶控制器的接口由地址總線（EXT-AB）、數(shù)據(jù)總線（EXT-DB）、讀寫(xiě)以及片選等控制總線（EXT-CB）實(shí)現(xiàn)。Bluetooth 模塊通過(guò)UART/PCM和USB與應(yīng)用設(shè)備之間進(jìn)行接口。 6 Bluetooth嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì) 由HT1020和PH2401等接口的Bluetooth電路系統(tǒng)提供高至HCI層的功能，向數(shù)據(jù)和語(yǔ)音設(shè)備提供全兼容的Bluetooth接口，因此可以很方便地構(gòu)成Bluetooth設(shè)備。根據(jù)Bluetooth規(guī)范對(duì)無(wú)繩電話的協(xié)議要求，無(wú)繩電話實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧如圖6所示。通過(guò)服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議SDP，子機(jī)尋找通信范圍內(nèi)所有Bluetooth設(shè)備信息和服務(wù)類型，從而與無(wú)繩電話主機(jī)建立連接。 語(yǔ)音呼叫的控制信令則在二元電話控制協(xié)議TCS Binary中定義。邏輯鏈路控制應(yīng)用協(xié)議L2CAP向上層提供面向連接SCO和無(wú)連接ACL 的邏輯鏈路，傳輸上層協(xié)議數(shù)據(jù)。語(yǔ)音流不經(jīng)過(guò)邏輯鏈路控制應(yīng)用協(xié)議L2CAP，直接與基帶控制器連接，使用連續(xù)可變斜率增益調(diào)制CVSD技術(shù)，以獲得高質(zhì)量的音頻編碼。Bluetooth無(wú)繩電話子機(jī)的基本電路結(jié)構(gòu)如圖7所示，其中MCU不僅完成對(duì)鍵盤(pán)、顯示器的控制，而且實(shí)現(xiàn)TCS Binary、SDP和L2CAP協(xié)議，受話器和送話器直接與TM1020基帶控制器連接，系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、可靠，具有較高的性能價(jià)格比。對(duì)于不具備主機(jī)控制器接口HCI設(shè)備的 Bluetooth應(yīng)用，如無(wú)線鼠標(biāo)、無(wú)線耳機(jī)，可將Bluetooth上層協(xié)議邏輯鏈路控制和適配協(xié)議L2CAP 與低層協(xié)議共用同一嵌入式處理器核（圖8）直接集成到設(shè)備中去。 7 結(jié)語(yǔ) Bluetooth技術(shù)作為新型的短距離無(wú)線擴(kuò)頻通信技術(shù)，通過(guò)把各種語(yǔ)音和數(shù)字設(shè)備用無(wú)線鏈路連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)個(gè)人區(qū)域內(nèi)信息交換與傳輸。 Bluetooth技術(shù)使蜂窩電話系統(tǒng)、無(wú)繩通信系統(tǒng)、無(wú)線局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)增添新功能,使各類計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)、打印機(jī)等設(shè)備增添無(wú)線傳輸和組網(wǎng)功能，并廣泛應(yīng)用于家庭和辦公自動(dòng)化、電子商務(wù)、無(wú)線公文包和各類數(shù)字電子設(shè)備等場(chǎng)合。在具體的應(yīng)用中，Bluetooth技術(shù)仍然有大量的技術(shù)細(xì)節(jié)問(wèn)題需要解決，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注Bluetooth的最新進(jìn)展，注意廠商推出的具有系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)以及所提供的應(yīng)用幫助和開(kāi)發(fā)工具。隨著技術(shù)的發(fā)展和完善，Bluetooth技術(shù)必將對(duì)人們的生活和工作產(chǎn)生重大影響。 |
