（通信与信息系统专业论文）基于蓝牙技术的语音传输研究.pdf

颤论文基予髓孥技术的语音佟输研究 摘要 蓝牙技术韪一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，以低成本近距离无线连 搂为基磁，为阉定帮移葫浚餐逶售嚣蠛建立一个特嗣涟接。蓝嚣禄准在空中接黧上支 持使用a 法则压缩的对数脉冲编码调制( l o gp c m ) 、使用h 法则聪缩的l o gp c m 和连 续可变斜率增量调制( c v s d ) 。c v s d 编码擅长处理被谣失和被损坏的语音采样，即使 比特错误率达翻4 糍，c v s d 编码懿语音仍然是可氍豹。在毒垃错误枣在筑壤提下，c v s d 院p c m 更加可靠。 本文对熬于蓝牙语音通信技术的应用开发方案：j 教行了探讨，并提出了基于麟牙主 枫控制接口( h c i ) 的语音应用开发方寨。对c v s d 编硝避季亍了仿真，设计了以数字信号 笼毽器( d s p ) 釉蓝牙模凌为蓥穑酶语誊系统方案。 为了扩大蓝牙系统柱渚频中的应用，提出了在蘸牙系统中将静频信号采用邋当的 压缩，使用q 对称异步无连接( a c l ) 信道来发送高比特率的音频数据包。 关键词；蓝牙语音h c i c v s d 艘卜论叟摹于蘸矛技木的语营传输睁 究 a b s t r a c t b l u e t o o t hi sa no p e ns p e c i f i c a t i o nf o rl o w - c o s ts h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n a n dn e m ，o r k i n gb e t w e e np c s ，m o b i l ep h o n e sa n dh a n d h e l dd e v i c e s o nt h eb l u e t o o t h a i r - i n t e r f a c e ，e i t h e ral o gp 。mf o r m a t ( a * t a w o rg - l a w ) i su s e d 、o rac o n t i n u o u sv a r i a b l e s l o p ed e l t am o d u l a t i o n ( c v s d ) i su s e d c v s di sg o o da tt r e a t i n gw i t ht h el o s ta n d d e s t r o y e ds a m p l i n go fs p e e c h e v e ni ft h eb i te r r o rr a t ei su p t of o u rp e r c e n t ，t h es p e e c h t r e a t e dw i t hc v s di sa u d i b l e w h e nt h e r ei sb i te r r o r , c v s di sb e t t e rt h a np e 泌； t h i sp a p e rd i s c u s s e st h es p e e c ha p p l i c a t i o np r o j e c t s ，w h i c hb a s e do nb t u e t o o t ha n d p u t sf o r w a r das o l u t i o nb a s e do nh c io fb l u e t o o t h ，s i m u l a t i o n so fc v s dh a v eb e e n c a r r i e do u ti nm a t l a b 。a s p e e c hs y s t e m i sd e s i g n e du s i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n d b i u e t o o t hm o d u l e i no r d e rt oe x t e n dt h e a p p l i c a t i o n o fb l u e t o o t h 。s y s t e mi n a u d i o , a p p r o p r i a t e c o m p r e s s e ds p e e c ht r a n s m i t t e db yu n s y m m e t r i c a la s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n l e s sc h a n n e li s p u tf o r w a r d u n s 3 a r m e h - i c a la s s n a c h r o n o u sc o r m e c f i o n l e s sc h a m t e lc a l lt r a n s m i t 赫g hb i t r a t ea u d i o - d a t a p a c k a g e 1 硒唧。砖s ：b l u e t o o t h a u d i oh c ic v s d i i 硕论文基予蠊肾技术的语音传输研究 1 绪论 1 , i 短蘧离光线逶嵇 人类正在步入数字化网络信息时代，目前很多数字通信都是通过缆线连接来实现 姻。这些缆线通过各式各样的连接器与锫式各样的设锯相连接，这燎连接器要在形状、 尺寸及亏l 鬓数鼙上相疆配，数字住莰备豹套线连接绘久镅蘧露随魄与信怠蕊络滚接萃瑟 通信带来了许多不便。发展无线通信连接技术，将人们从有线连接的束缚中解放出来， 已经成为一种趋势。 随羞诗冀援网络霹移霸邀话技术懿邋猛发震，发鼹枣菠基熬无线数据与语音逮售 技术的需要越来越追切。缀距离无线通信是指在较小的区域，通常是指数百米以内提 供通信的方式，目前常见的技术有i r d a 、i e e e8 0 2 1 1 系列无线局域网、h o m e r f 和 薤牙技术等。 i r d a 跫1 9 9 3 年赉红舞线鼗据标漆游会稠蠲蠡舞线进章亍点刭点筏薤簧辕特点嚣裁 定的标准。目前其传输速率可达1 6m b p s ，接收角度1 2 0 。，常用通信距离为1 3 m 。i r d a 的组成部分i r m c 规范包括了r t c o n ，它描述了全双工语音数据连接，它会用掉这种 遴接形式1 1 5 2 k b p s 豹带赛，毽不支骛多爨技拳。红静按本豹实现秘操 乍都稳对篱单， 成本低廉，可应用于很多场台。它的最大缺点是只能进行视距传输，通信设备中间不 能存在阻挡物。 由国际电气帮电子工程烬协会( i e e e ) 制定的无线禺域网8 0 2 1 l 标准，主要朋 予解决办公纛筋域网稀校隧网中静用户终旗之闻豹嚣线接灭，监务主要为数蠢襻取， 传输速率最离能达到2 m b p s 。由于i e e e8 0 2 1 1 在遮举上的不足，已不能满足数据应 用的需求，因此，8 0 2 1 l 标准得到了进一步的完善和修订，i e e e 相继推出了8 0 2 1 1 b 、 8 0 2 。1 1 a 积8 0 2 1 l g 标壤。i e e e8 0 2 。l l b 镬爱开敖熬2 4 g h z 塞接黪列扩频，竣大数 据传输速率为l1 m b p s ，秃需直线传播，且当工作在2m b p s 和lm b p s 速率时可向下 兼容i e e e8 0 2 1 l 。i e e e8 0 2 1 1 a 工作谯5 g h zu - n i i 频带，物理滕速率可达5 4 m b p s ， 传输层可达2 5 m b p s ，采用歪交频分复弼( o f d m ) 扩频技术，支持谬蠹、数据、嬲像业 务，不兼容i e e e8 0 2 。ll b ，空中接力不辩，点对点逐接穰不经济，不适合小黧设备。 i e e e8 0 2 ，1 l g 工作在2 4 g h z 频段，采用o f d m 技术，但仍保留了i e e e8 0 2 1 1 b 中的 调制方式，从而可兼容i e e e8 0 2 。l l b 标准。 h o m e r f 技零建立在莛拳无线访霹协议之上，冀强爨是在家纛菠强内蠖诗簿钒与 藏他电子设旃之间实现无线通信。该救术同时支持数据和语音通信，其数据通信采用 简化的i e e e8 0 2 1 1 协议标准，语音通信部分采用数字增强型无绳电话( d e c t ) 标准， 使用对分多娥( t 漩a ) 技术。h o m e r f 豹 擘耀距离为l o o m ，传输速率为1 - 2 m b p s 。出予 颤 论文蕊予蓝牙箍寒筑话眷傣辍醅巍 h o m e r f 投术没有公开，目前只有几十家企业支持而且在抗干扰等方面相对应其他 技末焉京趣畜欠缺，函她座霉裁景不太广泛。 。蓝牙黢术是1 9 9 8 年由爱立信( e r i c s s o n ) 、港基亚( n o k i a ) 、东芝( t o s h i b a ) 、美 国国际商用机器( i b m ) 和英特尔( i n t e l ) 等公司联合推出的种开放性短躐离无线通 信技术，它戳低成本躲避距寒无线连接蕊基础，为困定与移动竣餐逶信环撬建立一个 蒋鬟连接。其实质亵罄燕建立逶露弱嚣线窀室中攘霹爱萁控裁较孛 翁公野标准，褥透 信和计算机进一步结合，使不同厂家生产的便携斌产品在没有缆线相互连接的情况下 在近距离范围内具有辐互操作的性能。自从蓝牙舰范l 。0 版撒出之后，蓝牙技术的推 广察瘟爝褥鑫了逐猿发震。蓝牙特裂兴趣枣组( s i g ) 戆成员忍乎粳盖了全球蚤行各监， 包括通信厂商、网络厂商、矫设厂商、芯片厂商、软件厂商、消费类电器厂商和汽车 制造商等。s i g 的成员都有权使用斌牙的最新技术，参与蓝牙舰范标准的制定，无偿 使用s i g 的研变成暴并发鬓己鲍产菇。蓝牙应穗产品通过s i g 懿测试，裁可以竣赦枣 凌。羹牙蔽零豹塞溪帮发震掇大匏褴貔窝扩大了蠢线逶售豹赢粥蕊黉，臻潮络中各静 数据和谮脊设备可以通过极其便捷的方式实现甄联甄通，实现了个人区域内快速灵活 的数据和谣音通信。采用蓝牙技术的产品更因其搬大的功能成为无线市场的新亮点， 蕊牙技术露菇为近年寒发震最法翡无线逯蕊按术之。 以上几种无线技术都有着各自的优势和应用领域，并且程锻大程度上与蕊牙技术 相互补充。 1 2 蓝雾舞壤逶整麴瘫慝及爱蕊蓠曩 蓝牙技术使各种糁动设备、计辣机外设等数字设备之间的无线廉价避按成为可 能，它不搜取代了这些设备之阍躲缆线连接，焉最逐使褥诲多数字设备的功挞褥到了 扩充，让滚来猹立静数字浚蚕可竣与蕻链设备连网交换蔻意。盛予蓝矛搭积小、功耗 低，几乎可以被集成到任何数字设备中，特别是鄹贱对数据传输速率要求不黼的移动 设备和便携设备。人 、 摅堪了许多艘用设想，有些已经有产品问世。从市场的角度看， 蓝牙按零爵蠢l 造毫点对点连接、点游多点连接魏疯蘑产鑫以及令人羁蠛鞠等霹络产 晶。 蓝牙披术在计算机及外设中的艘用：如计算机与键盘和鼠橼簿计算机外设的无线 连接，多台计算规共事一台打印枫等设备资源，数鼹裙瓿、p d a 鞍移费电话簿鸟诗算 爨速行数瓣遥售等：蓑牙无线语啻逶僖：葱无线錾囊霸车蠹黪炱握毫话系绞等；无线 网络的实现：蓝牙无线网络接入点不仅可以让数字设备访问国际互联网络( i n t e r n e t ) 和接入本地局域网，还以作为公菸电话网络( p s t n ) 的接入点使用；基于对爨交换协 议潞x ) 替代经癸技术瀚蓝矛按术斑麓；熟争人数字动理黪酾笔记本惫藏等设备 2 坝 一论文基于蘸牙技术的语音传输研究 间交换电子名片，不同设镛上的日程表和资料等实现同步，不同的设备之间传递文件 簿功能；其他的应用：如家用电器的无线组网和遥控、实现“三合”电话功能、u s b 遥酝器、车镂等。 个人信患管理的同步、在掌上电脑之间或掌上电脑和移动电话之闻交换名片，或 是办公室电脑和家用电脑之间交换数据对某些用户来说变得越来燧重要。节省文件传 输的时间就等同于延长了箕他工作时阈，增加设备的相互连接网榉提高了工作效率。 随着无线技术懿广泛应用，辐射毽袋了渚费者菲鬻关心黥闽麓。 蠡夔奏卫生缝织、 i e e e 等专家组成的小组畿示，检测中并末发现蓝牙产品的辐射对人体有影响。蓝牙 产品的输出功率仅为微波炉使用功率的百万分之一，也仅仅是移动电话功率的- - + 部 分，嚣虽，这些竣塞只鸯小蘩癸驶入嚣疆l | 芟。 越来越多的人考虑给融己的设备增加无线连接，人们也逐步惑识到蓝牙技术的低 功耗和低成本解决方案是理想的。s i g 为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准 全郄公开，全世界范围内麴彳壬侮单位署羁个人都可以遴行蓝牙产品的开发，只要避终通 过s t g 的薤矛产品兼容镶测试，就可隧维商市溺。霹麓诲多翻造商溅纷纷剜遥熬牙产 品，未来的簸牙技术将会鞭加成熟，功能也将更为强大。 1 3 蓝牙音频 语音是人类最基本、缀直接的交流信息的方法。自从发明电话以来，电话通信始 终以很快的遴度持续发展，由原先采用的模拟方式全黼转向数字方式。数字语街信号 躲簧戆鄹存德在可靠性、挽于藏蛙、缳密淫以及份疆等方瑟都优予蟆羧语音傣号。 在计算和通信环境之间传统的分界线变得越来越不明显。语漕也经常以数字的格 式进行存储和转发，数据也可以通过语宵设备进行传输。有一些无线通信技术怒专门 _ 掰i 来传输语谗的，而另一魃则是专门用于处理数据业务的。蓝牙技术同时支持谬啻和 数据俦输，可以镬支持语蠢袋数据浆竣务，或者燕瑟餐都支持豹_ 葭备之闻麓够夏楣透 信。 蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、语裔信道以及异步数据 与溺步语音溺时转簸豹襞遂。每个语鸯信道数据速率为6 4 k b p s ，麓牙语啻甄可以蘧 掰脉冲编码调制( p c m ) ，也可以使用连续可变斜率增麓调制( c v s d ) 。蓝牙有两种链路 粪型：异步秃连接( a c l ) 链路和同步面向连接( s c o ) 链路。a c l 链路支持对称或非对称、 分组交换和多点连接，适斓予传输数据；s c o 链路支持对称、电路交抉和点到点涟接， 逶用于傣辕谮酱。 虽然蓝牙无线通信需鼹的音频不仅仪是语音，但是音频为语脊进行了优化设计。 声音在一段时间内是连续的，因此是时间受限的。麟牙音频通信业务的传输速率是 坝卜论文基于箍牙技术的语爵 专输研究 6 4 k b p s ，这完全能满足普通语音交谈的鼹求。虽然不排斥其他的音频媒体在蓝牙音频 链路上的传输，但是这些静频通信业务不是蓝牙音频通信设计的黎础，蓝牙音频是以 谖音逶售韭务必中，凸。 1 4 研究的目的及意义 蓝牙技零蠹冬迅速发展秘耀美产品麴蕊毽，绘信息产业的快速攒长豢来了新熬经济 增长点。a b i ( a l l i e db u s i n e s si n t e l l i g e n c e ) 的一瑙调查显示：2 0 0 5 年蓝牙设备的 年出货量将达到1 4 亿件。 现代信息社会正在向处处有嵌入式系统的智能化数字化的信慰设备的方向发展， 享会静每一令成员熬每一 譬餐麓耽熬竣釜郡靛跨时轰眩、蘧霹蘧逡缀方镬遗连犊翻溺 络上。这样全球信息一体化就会上升到个新水平。菔牙技术正在试图让这一梦想变 成现实。蓝牙技术的定位就是现代通信网络的最后1 0 m ，它将会像种无处不程的、 数字纯兹害枣缀寒糖一样，搬凌毒匏各琴串嬲络终端设套秘各静售息他靛设备在近躐离囊 都能连接越涞。不仅如此，有了蓝牙技术，人们还可以发明出许多新的网络终端和智 能化的信息设备，并且会渗透到社会生活的各个角落。蓝牙技术鼓励创新并且为人们 提供了创新的机会，它为用户提供便利展新颖的技术应用。 蓝雾技术莛一顼蚕商令久懿逶信投术。中国嚣麓蠢十死亿入嗣，毫程疆、毫麓、 移动电话、围定电话的用户数量非常可观，这意味赭我国信息化网络产品市场魑十分 巨大的。充分利用中国市场的优势，开发适合中国人霈求的应用产品，正是中豳企业 浆魏势疑在。薤雾技拳是秘全球统一的按零标准，可班攫好蟪勰决产品豹箱蒙兼容 问题，而且蕊牙技术韵复杂程度褶对较低，掌握起来较容易，更熬鬟的是，它的技术 是开放的，w 以自主开发适合的应用产品。 蓝牙技术的诞生为众多信息厂商掇供了耨的商机，它的开放性使国内外企姚站在 阉一条莛跑线上，这对我国的信息家嚷金鲎来说莛一次缝驽鳆调熬产显缍褐豹辍会。 虽然现在蓝牙技术还不怒尽善尽美，但它的优势已经相当明显。谯信息产业部相关主 管部门的宏观指导下，蓝牙技术发展与成用论坛已殿运而生。中闼3 g 产业联盟也将 裁立耪关组织，以键进蕊矛技本在中嚣豹发震。国家秘按部也凌藏牙技术豹磅究与应 用列入“8 6 3 计划”。 目前蓝牙技术还在不断的完善，是种发展前景很好的无线涟接技术。 1 5 本文麴笺俸 本文的主要工作是对擅于蓝牙技术的语音通信加以分析研究，提出了基于蘸牙主 枧控制接口躺语音应用开发方案。 4 椎l 一论文 基于藏矛技术螅语势皓输研究 本文的敝体工作如下： 1 。首先介绍了蓝牙的系统组成及协议体系结构； 2 。对鏊予蓝雾按零豁奁叛黄藕邀行了攘讨。分辨了蓝雾技术掰采焉蘸语裔缡毽、 蓝牙的语音链路及其音频规范和应用椴架； 3 分市厅了基于蓝牙檬块语音接口和主机控制接心的音频应用方案； 4 黯鏊予蓝嚣主觐羧锻接昼的音壤应爱，设诗了语音话麓系统，绘毫系绞熬擒 戒框匿并释桥箕工 筝原褒。 本课题的语音传输解决方案开发方便，具有很强的可编程扩腿性，利用熟可编 程特性，改避慝可用于藏鹰量的音频传输。 硕f 论史 甚于蓝牙技术的语青传输研究 2 蓝牙无线通信技术 2 1 蓝牙技术概述 蓝牙是一个开放性、短距离无线通信技术标准，它可以用于在较小的范围内通过 无线连接的方式实现固定设备以及移动设备之间的互连，可以在各种数字设备之间实 现灵活、安全、低成本、小功耗的音频和数据通信。因为蓝牙技术可以方便地嵌入到 单一的芯片中，因此它特别适用于小型的移动通信设备。 蓝牙载频选用全球通用的2 4 g h zi s m ( 工业、科学、医学) 频段，由于2 4 g h zi s m 频段是对所有无线电系统都开放的频段，因此使用其中的任何一个频段都有可能遇到 不可预测的干扰源。采用跳频扩频技术是避免干扰的一项有效措施。跳频技术是把频 带分成若干个跳频信道，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断地从一个 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，而其他的干扰源不可 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 带宽成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能产生的影响变得很小。跳频扩频技术是蓝牙 使用的关键技术之一。对应于单时隙分组，蓝牙的跳频速率为1 6 0 0 跳秒：对应于时 隙包，跳频速率有所降低；在建立链路时提高为3 2 0 0 跳秒。使用这样高的跳频速率， 蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力。它采用以多级蝶形运算为核心的映射方案，与其 他方案相比，具有硬件设备简单、性能优越、便于7 9 2 3 频段两种系统的兼容以及各 种状态的跳频序列使用统一的电路来实现等特点。 根据各国的具体情况，以2 4 5 g h z 为中心频率，最多可以得到7 9 个i m h z 带宽的 信道。蓝牙技术理想的连接范围为1 0 c m - l o m ，通过增大发射功率可以将距离增至 1 0 0 m 。在发射带宽为i m h z 时，其有效数据速率为：不对称时，一个方向最大为 7 2 3 2 k b p s ，反向时5 7 6 k b p s ；对称时为4 3 3 9 k b p s ，并采用低功率时分复用方式。 蓝牙支持点对点和一点对多点的通信。蓝牙最基本的网络组成是微微网。微微网 实际上是一种个人区域网，这是一种以个人区域为应用环境的网络架构。微微网并不 能够代替局域网，它只是用来代替或简化个人区域中的电缆连接。微微网由主设备单 元和从设备单元构成。主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列，而从设备单元 一般是受控同步的设备单元，并接受主设备单元的控制。在同一微微网中，所有设备 单元均采用同一跳频序列。一个微微网中一般只有一个主单元，而从单元目前最多可 以有7 个。蓝牙系统建立在对等通信基础之上，主从任务仅在微微网生存期内有效， 当微微网取消后，主从任务随即取消。每一设备单元皆可为主单元或从单元，一般定 义建立微微网的单元为主单元。除定义微微网外，主单元还控制微微网的信息流量， 并管理接入。蓝牙给每个微微网提供特定的跳转模式，因此它允许大量的微微网同时 硕士论文基于蓝矛技术携语音传镩研究 存在，多个微微网的互连形成了分散网。 2 2 蓥牙系统组疫 蓝牙系统出以下功能单元组成：无线射频单元、基带控制单元、链路管理单元和 软件功能单元组成。蓝雾系统结构如图2 1 所示【粥。 2 2 。1 无线射凝单元 图2 ，1 蓝牙系统结构 对于无线通信系统丽荫，射频部分就是通信系统的“空中按阴”，不同厂商的设 铸要实现兼容或者互操作的基本要求就是射频规范的统一，而且通信质量也是幽射频 来决定。蓝雾袈菝褒蓝篾定了蓝雾菇鼗鬏段、调裁方式、璃频频器、发瓣功搴、按| | 雯 机灵敏度等参数。蓝牙的琵线射频单元负责数据的发射和接收，特点是短距离、低功 耗、体积小、重量轻。 夔牙系绫溪弱全离天线，支持点到多赢的透穰，锼褥多套夔牙设备可浚分枣嬲终 资源；支持终端的移动性，更容易查询粒发现设备。信号传赣不黧视距的影响，荔于 组网。 蓝牙射频采用的调制方式为高斯滤波二进制频穆键控( g f s k ) ，码元带宽积 b t = o 。5 ，调铡摇数h = o 。2 8 。0 。3 5 。蓬雾鸯| 鞭数雍速率为1 m b p s ，最小频编不，j 、予1 1 5 k h z ， 过零误差小于1 8 码元周期。二进制“l ”用正频偏液示，“0 ”用负频偏表示。 根据蓝牙发射器功率电平大小，蓝牙设备有3 个功率级别：1 级功率的蓝牙设备 发射璃率戈1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) ；2 缀功率豹簸雾设备发羹重凌率为2 。5 m w ( 约4 d b m ) ；3 缀功 率的蓝牙设备发射功率为l m w ( o d b m ) 。 我国的髓牙射频频段墩低频率为2 4 0 2 g h z ，最高频率为2 4 8 g h z 。蓝牙每个频道 带宽为1 m h z ，相邻频道中，心频率间酾为1 m h z 。为减小带夕卜的辐射葶珏于拢，保鐾嬲上、 下保护频繁分期为3 ，5 豫z 秘2 m h z 。7 9 令雾频藏熹审至少有? 5 令藏该伪隧裰穗避孬 跳变，在一个3 0 s 的时间墩内，任何一个频点的使用时间不得超过0 4 s 。表2 1 列 出了目前世界上各个国家的蓝牙频段和信道频率。懿牙使用跳频扩频技术去避免工作 缳爱受到来藏微波炉翻无线弱蠛弼设器簿熬手撬。 硕j 。论文基于蓝牙技术的语音传输研究 表2 1 蓝牙频段分配2 6 地理位置i s m 频段范围( m h z )射频信道频率( m h z ) 中国、美国、欧洲 2 4 0 0 o 2 4 8 3 5f = 2 4 0 2 + k ；k 在0 ，7 8 中随机取值 法国 2 4 4 6 5 2 4 8 3 5 f = 2 4 5 4 + k ；k 在0 ，2 2 中随机取值 同本 2 4 7 1 o 2 4 9 7 o f = 2 4 7 3 + k ；k 在0 ，2 2 中随机取值 西班牙 2 4 4 5 o 2 4 7 5 o f = 2 4 4 9 + k ；k 在0 ，2 2 中随机取值 2 2 2 基带控制单元 蓝牙基带控制单元，进行射频信号与数字或语音信号的相互转换，负责处理基带 协议和其他一些低层常规协议，具体完成的功能有网络建立、差错控制、验证和加密 等。 1 网络建立 微微网建立之前，所有蓝牙设备均处于等待状态，在此状态下，设备每隔1 2 8 s 监听一次信息，设备一旦被唤醒，将在预先设定的3 2 个跳频频率上监听信息。连接 过程由主设备初始化，若一个设备的媒体访问控制地址( m a c ) 已知，就用寻呼信息建 立连接；若m a c 未知，则用寻呼查询信息建立连接。在初始寻呼状态，主设备在发送 1 6 个跳频频率上发送一串相同的寻呼信息给从设备，若未收到应答，主设备就在其 他的1 6 个跳频频率上发送寻呼信息。当所需从设备应答后即建立连接。 蓝牙基带技术支持a c l 和s c o 两种连接方式。在同一个微微网中，不同的主从 设备可以采用不同的连接方式，而且在一次通信中，连接方式可以改变。每一种连接 方式支持1 6 种不同的分组类型，其中控制分组4 种，为a c l 和s c o 通用的分组。两 种连接方式均采用时分双工通信。a c l 支持对称和非对称两种传输流量，同时还支持 广播信息。在a c l 方式下，主设备控制链路带宽并负责从设备带宽的分配，从设备按 轮询发送数据。s c o 为对称连接，支持实时语音传输，主从设备无需轮询即可发送数 据。s c o 的分组既可以是语音也可以是数据。当发生中断时，只有数据部分需要重传。 2 差错控制 基带控制器采用3 种纠错方式：1 3 前向纠错编码( f e c ) 、2 3f e c 和自动请求重 传( a r q ) 。采用f e c 编码的目的是减少数据重发的次数，但在无差错环境下，f e c 校 验位失去作用而且降低了数据吞吐量，因此业务数据是否加f e c 检验应视具体情况而 定。对于含有重要连接信息和纠错信息的分组报头应始终采用1 3 f e c 校验码进行保 护传输。对于需在发送后的下一时隙给出确认的数据传输，使用a r q 方式。 3 验证与加密 验证与加密服务由物理层提供。验证与加密采用口令应答方式，在连接过程中， 钡，1 论文 基于蓝牙技术的语音传输研究 可能需要一次验证或两次验证，或无需验证。验证对任何一个蓝牙系统都是重要的组 成部分，它允许用户自行添加可信任的蓝牙设备。蓝牙系统采用流密码加密技术，适 于硬件实现，密匙长度可以是0 、4 0 、6 4 或1 2 8 位，蓝牙设备在每次建立链路时都要 核对密匙，通信时该密匙用于鉴权和加密。密匙由高层软件管理。蓝牙安全机制的目 的在于提供适当级别的保护，如果用户有更高级别的保密要求，可以使用有效的传输 层和应用层安全机制。 2 2 3 链路管理单元 蓝牙链路管理单元主要负责完成设备功率管理、链路质量管理、链路控制管理、 数据分组管理和链路安全管理五个方面的任务。蓝牙设备用户通过链路管理器可以对 本地或远端蓝牙设备的链路情况进行设置和控制，实现对链路的管理。 蓝牙设备的链路管理器接收到高层的控制信息后，不是向自身的基带部分发送控 制信息，就是与另一设备的链路管理器进行协商。这些控制信息封装在链路管理器协 议数据单元( l m pp d u ) 中。链路管理器对蓝牙设备链路性能管理的实现过程为：设备 a 向设备b 发送协商请求，设备b 根据自身情况作出接受( l m pa c c e p t e dp d u ) 或者不 接受( l m pn o ta c c e p t e dp d u ) 的响应。 蓝牙设备可以根据接收信号强度指示判断链路的质量，从而请求对方调整发射功 率。处于连接状态的设备可以调节自己的功率模式以节省功耗。蓝牙设备有保持模式、 呼吸模式和休眠模式三种节能模式。保持模式下的蓝牙主从设备间的a c l 链路可以在 一段指定的保持时间内不进行a c l 分组通信，s c o 链路传输不受任何影响。保持模式 适合应用于可以预测或控制下一次数据传输时间的应用程序。由于每个保持问隔的协 商独立于后面的间隔，因此这种模式适合进行自适应电源管理，此时应用程序可以监 控链路的使用并相应增加或减少睡眠时间。一旦设置了保持模式，则不能退出，直到 保持时间结束，因此，对于具有硬延迟要求的应用程序不应该使用这种模式。呼吸模 式下的从设备能够放宽对a c l 链路的要求，主设备只能在呼吸时隙开始传输。呼吸模 式通过减少主设备传送数据使用的时隙数量从而减少从设备必须侦听的时隙数量，使 应用蓝牙技术的设备达到节能的目的。可以在任何时间退出呼吸模式。休眠模式是节 能最多的一种模式。休眠模式时，从设备不需要加入一个微微网但仍希望保持跳频同 步，从设备放弃蓝牙激活成员地址，使用休眠成员地址和接入请求地址，与微微网的 数据通信分离。休眠模式下的从设备需要再次加入微微网时，可以不必经过查询与寻 呼过程，很快地重新进入微微网中。休眠模式最适合无线电通信模式不可预测，并且 连接延迟有上限的应用程序。 如果接收信号强度指示与蓝牙设备的设定值相差太大，可以请求另一方设备的发 i | i ! l ：论文 基于蓝牙拽术的话音传输研究 射功率增加或减少。功率调整请求可以在成功地完成一次基带寻呼过程后的任何时刻 进行。 链路管理单元对a c l 和s c o 链路的质量管理是分别进行的。对于a c l 链路可以采 用服务质量由主设备通知从设备或主设备或从设备请求新的服务质量的方法。对于 s c o 链路主设备和从设备均可以请求改变s c o 参数。 链路控制管理包括设备寻呼、主从角色的转换、时钟和计时器设置、信息交换、 连接的建立和链路释放等功能的管理。 蓝牙基带的分组类型有链路控制分组、单时隙分组、3 时隙分组、5 时隙分组等， 蓝牙链路管理器提供了对这些分组的控制和管理，包括多时隙分组的控制和d h 信道 与d m 信道间的切换。 2 2 4 软件功能单元 蓝牙设备需要支持一些基本互操作特性要求。对某些设备，这种要求涉及到无线 模块、空中协议以及应用层协议和对象交换格式。但对另外一些设备，比如耳机，这 种要求就简单得多。蓝牙的目标就是要确保任何带有蓝牙标记的设备都能够进行互 通。软件的互通性始于链路级协议的多路传输、设备和服务的发现，以及分组的分段 和重组。蓝牙设备必须能够彼此识别，并通过安装合适的软件识别出彼此支持的高层 功能，互通性要求采用相同的应用层协议。不同类型的蓝牙设备( 如p c 、手持机、移 动电话、耳机等) 对兼容性有不同的要求，例如，一个头戴式设备不内含地址簿。蓝 牙的兼容性是指具有无线电兼容性，有话音收发能力及发现其他蓝牙设备的能力，更 多的功能则要由手机、手持设备及笔记本电脑等来完成。为实现这些功能，蓝牙软件 构架将利用现有的规范，如o b e x ，人接口设备( h i d ) ，虚拟名片虚拟日历 ( v c a r d v c a l e n d a r ) 及传输控制协议网络层协议( t c p i p ) 等，而不是再去开发新的 规范。设备的兼容性要求能够适应蓝牙规范和现有的协议。 软件结构需有如下功能：设置及故障诊断工具；能自动识别其他设备；取代电缆 连接；与外围设备的通信；音频通信与呼叫控制；交换名片和电话号码的网络协议等。 蓝牙的软件单元是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑。 2 3 蓝牙技术的协议标准 s i g 所颁布的蓝牙规范就是蓝牙无线通信协议标准，它规定了蓝牙应用产品应遵 循的标准和需要达到的要求。蓝牙规范包括核心协议与应用框架。协议规范部分定义 了蓝牙的各层通信协议，应用框架指出了如何应用这些协议实现具体的应用产品。由 于新的产品应用模型和市场需求总是不断出现，因而蓝牙的应用框架也不断得到扩 l o 硕士论文 基卡蘸矛技术的话啻传输研究 充。 2 3 。1 箍矛贽议栈 蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够实现互操作，本地设备 与互操作的逡瑞设备需要使用相同的协议。不同的应用需要不同的协议，但是，所有 的应褥都要壤爱蓝矛技拳瀵范中虢数器键貉层和穆瑷簇。互揉俸疲麓支持酶蓝牙应薅 模型之上的究整蓝牙协议栈如图2 2 所示。它是由底层硬件模块、中间层和高端应用 层三大部分组成【”。 楚 搏 薹 蛋2 2 蓝牙蛰议棱 1 蓝牙的底层模块 底层模块是蓝牙技术的核心模块，所有嵌入蓝牙技术的设备都必须包括底层模 块。它主要幽链路管理层( l m p ) 、基带鼷( 溺) 秘射频( r f ) 组减。r f 遁过i s m 频段实现 数据流的遥滤和传输，烹甏定义了对工作在瑟频段静蓝牙接浚税应满足兹要袋；b b 提供了s c o 和a c l 两种链路，负责信息传输，对不同类型的数据包提供了不同层次的 纠错码或差错校验：l m p 负责设备链路的建立和拆除以及链路的安全和控制，为上层 敬 孛模块摄像了不弱静谚润入墨；蓝牙圭掇控毒l 器接翻( h c i ) 出= 薮豢控裁器、滚接管 理器、控制和事件寄存器等组成。它悬蕊牙协议中软硬件之间的接口，它提供了个 调用下层b b 、l m 、状态和控制寄存器婷硬件的统一命令，上、下两个模块接口之间 的消息和数爨的传递必须通过h c i 的聪释才能进行。 蓑鐾一壤 砸j ：论文基于簸牙技术的语青传输硼究 2 中i 司协议层 中间协议层由逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 、服务发现协议( $ d p ) 、串翻仿真 协议r f c o m m ) 鞠二避毒彀键控裁按议( t c s ) 组成。l 2 c a p 是莛牙渗议棱兹棱心缀残部 分，也是其它协议实现的熬础。它位予藻带之上，向上层提供面向连接的和无逶缓的 数据服务。它主要完成数据的拆装、服务质量控制、协议的复用、分组的分割和重组 及组提取等功能。l 2 c a p 允许高达6 4 k b p s 的数据分鳃。s d p 是基予客户服务器结构 懿协议，它工佟在l 2 c a p 鬃之上，为上艨应鼹程序撬供释爹毛利慕发臻可藤的藏务及 其属性，而服务的属性包括服务的类型及该服务所稀的机制或协议信息。r f c o m m 是 一个仿真有线链路的无线数据仿真协议，符合欧洲电信标准化协会( e t s i ) 的t s0 7 1 0 辍凑。它在蘸牙基豢上糖囊r s 2 3 2 豹控铡秘数豢痿号，为嚣先饺蠲攀行连接豹土罄韭 务提供传送能力。t c s 定义了用于蓝牙设备之间建立语音和数据呼日q 的控制信令，并 负责处理蓝牙设备组的移渤管理过程。 4 ，高端艨用层 高端应耀篷位于蓝牙协议筏静最上帮分。高端度稽层壶选稻协议层缝或。选箱协 议层中的点到点协议( p p p ) ，由封装、链路控制协议、网络控制协议组成，定义了串 行点到点链路应当如何传输协议数据，它主要用于l a n 接入、拨号网络及传真等应用 蕊范；t c p p 、臻户鼗攥缀强议( u d p ) 麓已有夔协议，它定义了嚣特阚与溺终桶关豹 道信及其他豢型计算机设备和外围设备之间的通信。蘸牙采用或共攀这些已有的协议 去实现与连接因特网的设备的通信，这样，既可提高效率，又可柱定程度上保证蓝 牙技术帮其能通信按术的驻操雩# 性；o b e x 支持设备闽黪数据交换，采用客户服务 器模式箍谈与超文本传输协议( h t t p ) 辐丽静基本功麓。该秘议 乍为个开馥萑椽准还 定义了可用于交换的电予商务卡、个人日程表、消息和便条等格式；无线应用协议 ( w a p ) ，它的目的是要在数字蜂窝电话和其他小型无线设备上实现因特网业务。它支 戆移动电话溺燕霹茭、段敬邀予塞i 锌巍獒穗基于毽懿瓣躲渗谈。燹线应曩嚣凌( 黻劫， 提供用于w a p 电话和p d a 所需各种应用软件。 蓝牙规范提供了传输朦以及中间展定义和应用柢架，在传输滕和中间层上，不同 瓣蓝牙设备辩采用统一符合藏牙规范懿形式，面在或瘸层上，完全国开发人员囊主实 觏。 2 3 2 蓝牙技术的应用框架 裉据通傣协议，套种蘸牙设备无论程任何地方，酃可瞄通过人工或自动查谗来发 现其他蓝牙设备，从而构成微微网或分散网络，实现资源共享以及系统提供的备种功 能。s i g 为备种应用蓝牙技术的产品定义了相应的盛用框架：基本接入框架、服务发 t 2 坝【论文基于蓝牙技术的语爵传输研究 现应用框架、无绳电话应用框架、对讲系统应用框架、串口应用框架、耳机应用框架、 拨号网络应用框架、传真应用框架、局域网接入应用框架、通用对象交换应用框架、 对象推入应用框架、文件传送应用框架、同步应用框架等。应用框架主要定义了实现 具体的蓝牙产品或某些通用功能所用到的协议栈、各个蓝牙协议的互操作性要求和功 能的实现过程等。一个应用框架往往建立在另一个应用框架的基础上，存在依附性。 蓝牙应用框架如图2 3 所示f j 。 图2 3 蓝牙技术应用框架 根据应用领域和相互间的依附性，将不同的应用框架可合并为五大类应用框架： 1 通用应用类框架：通用应用模型中的应用框架是其他所有或多个应用框架的 基础，它们规定了其他应用框架普遍用到的功能流程，如查询、建立连接和服务发现 等； 2 蓝牙电话应用类框架：包括与电话控制和语音应用相关的框架； 3 蓝牙连网应用类框架：包括与网络应用相关的应用框架； 4 对象交换应用类框架：包括一组普遍采用i r d a 互操作性协议和o b e x 协议 的应用框架，用于实现不同的数据对象的交换应用； 5 蓝牙音频视频应用框架：包括与音频视频应用相关的应用框架。 2 4 蓝牙系统安全机制 蓝牙技术是通过无线传输的通信系统，由于无线信号不易监控和蓝牙设备的可移 动性，在安全性方面会面临各种问题，如假冒、窃听、未授权访问、信息的丢失与损 坏等。蓝牙技术的不同应用对各自的系统提出了不同的要求。 蓝牙为用户进行数据传输提供了一套可靠的安全机制，可分为：服务的可获取性、 授权与密匙管理、身份识别与完整性。蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护信息加 倾j 论史暴十蓝牙技术的语音传输研究 密机制，而在链路层通过同等鉴权并对用户信息进行加密。蓝牙设备在连接过程中采 用查询应答方式进行鉴权。一个设备发送一个口令或查询，而从设备则响应这个口 令，这样可以防止盗用和误用。信息加密机制是在蓝牙设备连接建立后，采用序列密 码加密算法对用户数据或信息进行加密，从而增加系统的安全性。链路层有四种参数 来保证通信的安全，分别是蓝牙设备地址、认证密匙、加密密匙和随机码。如果用户 有更高级别的保密要求，则可以采用更为有效的传输层和应用层安全机制。 2 5 蓝牙技术的实现 开发一个蓝牙产品一般需要以下几个步骤【2 2 j ： 1 选择应用场合。选择开发什么样的蓝牙产品或者是希望借助蓝牙技术实现一个 应用，这些应用可能不是仅仅依靠蓝牙技术就能实现的，需要同时依靠其他的通信手 段； 2 根据所要实现的应用适配到相应的蓝牙应用模型中去： 3 根据应用的情况，采取方案研制蓝牙产品； 4 进行产品测试，确保其互通性和兼容性。 在实现蓝牙的时候，一般是将其分成硬件实现部分和软件实现部分两部分考虑。 硬件实现部分位于h c i 下面，软件实现部分位于h c i 上面，包括蓝牙协议栈上层的 l 2 c a p 、r f c o m m 、s d p 和t c s 以及蓝牙的一些应用。 2 5 1 蓝牙硬件的实现 蓝牙技术在无线通信中占据重要的地位，不同的应用导致不同的开发。蓝牙芯片 用于实现蓝牙射频和低层协议，从而为高层应用提供蓝牙的无线数据和语音传输功 能。目前，蓝牙芯片主要有蓝牙芯片组和蓝牙模块两种形式【1 “。蓝牙芯片组通常包含 蓝牙射频单元、蓝牙基带控制器及存固件的闪存三块独立的芯片。蓝牙射频单元用于 收发射频信号；基带控制器用于实现射频、基带、链路控制器和链路管理器协议的功 能，处理蓝牙基带分组的收发以及管理蓝牙设备之间的物理链路。蓝牙模块为单芯片 蓝牙解决方案，将蓝牙射频单元和蓝牙基带控制器及一些外围器件封装在一块芯片 中。 在实际应用中，蓝牙芯片组和蓝牙模块各有优缺点：蓝牙芯片组在器件选择、电 路设计和软件编程上都有更大的灵活性，同时产品的体积更小、成本更低；蓝牙模块 由于高度的集成性，可以使开发工作更简单和快捷。 目前多数厂家供应的蓝牙核心模块由三部分组成：无线收发模块、基带处理器和 f l a s h ，配备少量的外围元件如音频编译码器( c o d e c ) 、通用串行总线( i j s b ) 通用异 硕i ? 论文 基于蓝牙技术的语旨传输研究 步收发器( u a r t ) 主机控制接口、电源电路等即可构成蓝牙产品。中央处理器( c p u ) 负 责蓝牙比特流调制和解调后的所有比特级处理，且还负责控制收发器和专用的语音编 码和解码器。 无线收发模块涉及到高频模拟电路和数字电路。蓝牙系统采用跳频一时分双工的 传输机制，收发在不同的频率和不同的时隙中进行且留有2 2 0 1 * s 的收发切换时间，因 而蓝牙的无线收发装置可单片集成，简化电路的同时也节省了功耗。 基带处理器需要一个能处理蓝牙低层复杂协议的嵌入式处理器，足够实现蓝牙基 带及链路层的功能。基带部分还提供了与主机通信的h c t 接口，一般采用串行口，如 u s b 及u a r t 等。通过h c i 接口，主机提供蓝牙设备高层协议的支持。还包含个p c m 接口与外围c o d e c 电路相连。 f l a s h 存储器用于存放基带和链路管理层中的所有软件部分。 由于人们对蓝牙的需求在很大程度上取决于其是否能随身携带，蓝牙解决方案必 须尽量压缩尺寸。在开发蓝牙时可考虑利用现有的资源，如可以利用手机基带的冗余 运算资源做蓝牙的基带。 2 5 2 蓝牙软件的实现 蓝牙的高层协议栈通常设计成一个软件部分，运行在主机设备上。它主要由高层 协议模块、硬件支持模块、协议管理器模块、剖面接口模块等组成1 2 “。蓝牙高层协议 栈的主要目标是支持确定目标的用户模型和支持多种硬件平台，具有良好的用户使用 接口，能够使用传统的应用，在可能的情况下使用现有的协议，具有可维护性。蓝牙 高层协议栈在实现操作系统独立性时使用了虚拟操作系统( v o s ) 的概念，在操作系统 和协议之间设计了一个v o s 接口，把蓝牙协议栈直接用到很多嵌入式实时操作系统 中，同时也可用到标准的操作系统中，而这些移植和使用都不需要改变协议栈的源码， 这样，既提高了效率又在一定程度上保证了不同技术和设备的互操作性。为了实现硬 件的独立性，蓝牙协议栈在h c t 层以下附加了一个串行接口层，实现到不同h c i 接口 的映射。为了利用传统的应用，以及便于使更多的用户能够开发基于蓝牙的应用，蓝 牙协议栈提供了蓝牙应用程序接口( a p i ) 。为了管理和配置协议栈的各个层次，在蓝 牙协议栈软件中附加了一个协议栈的管理模块。这样蓝牙协议栈在上述几个方面都实 现了有效的隔离，消除了对外部环境的依赖性，用户不再需要对蓝牙协议栈的源码进 行任何改变，用户只需通过简单的编译和链接就可以