（微电子学与固体电子学专业论文）蓝牙多射频模块的研究与实现.pdf

摘要 摘要 蓝牙技术作为一种全球统一的短距离无线通信标准，越来越受到人们的青睐。 但是蓝牙工作在全球统一开放的2 4 g h zi s m ( 工业、科学和医疗) 频段，在该频 段内，存在大量彼此各异且互不协调的设备，从而使得研究蓝牙抗干扰、与其他 设备共存问题成为国内外研究蓝牙技术的热点之一。 本论文针对2 4 g h zi s m 频段内部日益严重的干扰问题，提出了一种全新的解 决思路基于9 0 0 m h 彳2 4 g h z 5 。8 g h z 多射频通信模式的研究与实现方案。该方 案在2 4 g h z 蓝牙频段的基础上，增加9 0 0 m h z 和5 8 g h z 射频模块，并利用控制 信号根据信道质量进行频段切换，使得蓝牙设备可在2 4 g h z 、9 0 0 m h z 或者5 8 g h z 的i s m 频段工作。该方案通过具体软硬件成功实现。在s t 公司蓝牙开发平台的 基础上，该系统可以快速建立点对点连接、进行单独射频频段以及三个频段切换 通信工作功能。 另外结合对多射频系统统一跳频思想的探讨，本文在对蓝牙跳频系统分析的 基础上提出了一种基于通信终端设备时钟和地址信息的任意频隙跳频序列构造方 法。该方法通过混淆运算、频隙映射的方式产生出均匀性好、可用频隙数小于5 1 2 的任意频隙跳频序列。仿真分析和数值实验表明，该构造方法具有均匀分布、独 立性好、跳频间隔稳定等优点，可应用于实际的跳频多址通信系统中。 综上所述，对于多射频的蓝牙系统来说，其不仅改善了与其他无线通信方式 的相互干扰问题，而且还从组网特性、抗跟踪能力以及通信距离等方面得到改进， 值得进一步去探讨和研究。 关键字：蓝牙多射频共存跳频 a b s t r a c t i i i a b s t ra c t a so n eo ft h ew o r l d w i d e s h o r t - h a u lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ， b l u e t o o t hi sp a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b l u e t o o t hd e v i c e sa r ew o r k i n go nt h e s h a r i n gr e s o u r c eo fi s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c a n dm e d i c a l ) b a n dt h a t c o n s i s t so f n u m e r o u s ，d i s p a r a t ea n du n c o o r d i n a t e do n e s s o ，a n t i i n t e r f e r e n c ea n dc o e x i s t e n c eo f b l u e t o o t hw i n lo t h e rt e c h n o l o g i e si nt h i sb a n di sb e c o m i n go n eo ft h eh o t t e s tr e s e a r c h p o i n t sa l la r o u n dt h ew o r l d ar e s e a r c ha n di m p l e m e n tm e t h o do nb l u e t o o t hs y s t e mi sp u r p o s e dw i t hm u l t i r f m o d u l e si n9 0 0 m h 2 4 g h z 5 8 g h zi s mb a n d ，w h i c hp u tf o r w a r dan e wt h o u g h tf o r s o l v i n gt h em o r es e r i o u sp r o b l e mo fc o i n t e r f e r e n c ei nt h e2 4 g h zi s mb a n d 。9 0 0 m h z a n d5 8 g h zr fm o d u l e sa r ea d d e dt o2 4 g h zb l u e t o o t hs y s t e m ，s ot h a tt h eb l u e t o o t h d e v i c ec a nw o r ka m o n g2 4 g h z ，9 0 0 m h za n d5 8 g h zi s mb a n dt h a ts w i t c h e db y c o n t r o ls i g n a l s a c c o r d i n gt o t h ec h a n n e lq u a l i t y t m sm e t h o di s s u c c e s s f u l l y i m p l e m e n t e db yh a r d w a r e a n ds o f t w a r es y s t e m s o nt h eb l u e t o o t hd e v e l o p i n g e n v i r o n m e n to fs tm i c r o e l e c t r o n i c sc o r p o r a t i o n ，t h em u l t i 一盯b l u e t o o t hs y s t e mc a n q u i c k l ys e t u pp o i n t t o p o i n tc o n n e c t i o n ，s u c c e s s f u l l yc o m m u n i c a t eo ne a c hr fb a n d a n ds w i t c ha m o n gt h r e ei s mb a n d sd u r i n gt h ed e v i c e s w o r k i n g i na d d i t i o n ，w i t ht h eu n i f o r mf r e q u e n c yh o p p i n g ( f h ) t h o u g h to fm u l t i - r f m o d u l e ss y s t e md i s c u s s i o n ，am e t h o do ff hs e q u e n c ec o n s t r u c t i o ni sp u r p o s e dw i t h a r b i t r a r ys l o t sn u m b e rb a s e do nt h ec l o c ka n da d d r e s so fc o m m u n i c a t i o nd e v i c e ，w h i c h o nt h ea n a l y s i sr e s u l to fb l u e t o o t hf hs y s t e m t h r o u g ht h eo p e r a t i o no fc o n f u s i o na n d s l o tn u m b e rm a p p i n g ，af hs e q u e n c ei sp r o d u c e dw i t hf i n eu n i f o r m i t ya n da r b i t r a r ys l o t n u m b e rt h a tl e s st h a n51 2 s i m u l a t i o na n a l y s i sa n dn u m e r i c a le x p e r i m e n ts h o w t h a tt h i s m e t h o dh a sm e r i t so fd i s t r i b u t i o nu n i f o r m i t y , i n d e p e n d e n c e ，s t a b i l i z a t i o no ff hi n t e r v a l ， e t c ，a n dc a nb ew i d e l yu s e di nf hm u l t i p l ea d d r e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i nc o n c l u s i o n b l u e t o o t hs y s t e mw i t hm u l t i r fm o d u l e sn o to n l ym e l i o r a t e st h e c o e x i s t e n c ep r o b l e m ，b u ta l s oi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c ea m o n gw i r e l e s sd e v i c e s ，s u c h a sn e t w o r kb u i l d i n g ，a n t i t r a c k ，a n dc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c e ，e t c s o ，i ti sw o r t hf o r f u r t h e rd i s c u s s i o na n dr e s e a r c h k e y w o r d ：b l u e t o o t h m u l t i r fc o e x i s t e n c e f r e q u e n c yh o p p i n g 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：耻网固 日 期：勘刁，鸡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 本人签名：l 咀 导师签名： 惫裹葛 要磅 日期：唧似弓 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 蓝牙【1 ，2 - , 3 1 - t 作在全球统一开放的2 4 g h zi s m 频段。在该频段内部，存在大量 来自不同系统的各种信号，如微波炉、射频识别r f i d ( r fi d e n t i f i c a t i o n ) 、无绳电 话、w l a n ( 8 0 2 1 l b g ) 和w p a n ( b l u e t o o t h z i g b e e ) 等等。从而使得对蓝牙抗 干扰能力、以及与其他设备共存等问题的研究日益成为国内外研究的热点t 4 , 5 】之一。 1 1 1 蓝牙技术概述 蓝牙作为一种低功耗短距离无线通信技术，是实现语音和数据无线传输的全 球开放性标准，其工作在无需申请执照的2 4 g h zi s m 频段。为了与频段内其它设 备共同享用这一珍贵的无线资源，蓝牙自身采用了跳频扩频技术，将8 3 5 m h z 的 带宽分为频段间隔为1 m h z 的7 9 个频点，以1 6 0 0 跳秒的速率在这些频点上跳频 工作，同时采用短分组传输技术，从而减少了同频干扰，保证传输的可靠性。另 外，在继蓝牙1 2 规范之后，引入了自适应跳频技术，自动避开那些受到严重干扰 的频段，进一步提高了系统抗干扰能力。 蓝牙的目标就是在所有移动设备之间、任何小范围内各种信息传输设备以至 各种电器设备之间建立起无线连接。低功耗、小体积以及低成本使得这样技术从 理论上可以移植到所有的数字设备中。随着蓝牙2 0 协议【2 】的推出，其不仅使系统 的抗干扰能力有显著改善，而且由于采用增强型数据速率功能，蓝牙数据传输速 率为以前的3 倍，提升了数据吞吐量，更适用于数据实时传输场合。 1 1 2 蓝牙抗干扰方案探讨 随着蓝牙技术的日趋成熟，其表现出巨大的市场前景。但是该技术在给人们 带来便利的同时，也面临着严峻的挑战州： 在带宽和功率受限的前提下，如何优化系统的输出，即吞吐量( t h r o u g h p u t ) 与同一频段上大量彼此各异且互不协调的干扰信号如何共存( c o e x i s t e n c e ) 。 无论如何，就目前短距离无线通信领域发展趋势而言，蓝牙与相关通信技术 之间的相互干扰也会愈演愈烈，彼此之间的共存也越来越困难。然而，基于对通 信信道容量以及通信质量等问题的考虑，在目前的无线通信系统中，双频通信机 制【7 】已经得到了广泛的应用，从而也为提高蓝牙通信质量引入了一个全新的发展思 2蓝牙多射频模块的研究与实现 路。 本论文提出了一种多射频的蓝牙工作模式来解决短距离无线技术之间的相互 干扰问题。在基本不改变蓝牙基带协议的基础上，增加9 0 0 m h z 和5 8 g h z 射频模 块，使得蓝牙设备的射频可在2 4 g h z 、9 0 0 m h z 以及5 8 g h z 的i s m 频段间切换 工作。即：一旦2 4 g h z 存在大量的干扰，蓝牙设备可切换到9 0 0 m h z 或者5 8 g h z 射频频段继续通信，反而变之。故而，对于多射频的蓝牙系统来说，其不仅改善 了与其他无线通信方式的相互干扰问题，而且还从系统组网特性、抗跟踪能力以 及通信距离等方面得到了改进，值得进行深入地探讨和研究。 1 2 论文内容和作者所做工作 本论文主要描述了基于多射频蓝牙模块的研究与实现。在实现具体系统功能 的过程中，本人主要的工作是蓝牙多跳频系统仿真验证、以及基于多射频模块的 蓝牙系统的软硬件实现。 本论文各章的结构安排如下： 第二章，具体阐述了基于s t 公司开发平台的2 4 g h z 蓝牙系统软硬件实现。 硬件方面对基带芯片以及2 4 g h z 射频模块进行介绍；软件方面结合s t 公司蓝牙 开发环境进行了详细的说明。通过具体的软件编程实现了点对点的蓝牙设备通信 过程，并在该2 4 g h z 蓝牙平台上对射频接口进行时序测试分析，初步提出进行多 射频模式切换的系统方案。 第三章，集中介绍多射频蓝牙模块的系统实现。硬件方面针对单独的9 0 0 m h z 和5 8 g h z 射频模块实现的硬件电路进行详细的叙述，提出射频切换方案以及系统 硬件实现。软件实现方面主要在原基带程序的基础上增加对9 0 0 m h z 以及5 8 g h z 射频频段的配置程序，包括射频内部寄存器配置、跳频信道选择配置、慢跳频方 案实现、三个i s m 频段之间的切换方式等，并对具体的系统进行软硬件测试。 第四章，在对蓝牙跳频系统研究的基础上，提出一种任意频隙跳频序列的构 造方法并对其各项性能进行仿真测试。然后对多射频系统的抗阻塞能力、抗跟踪 能力、组网特性、逾越障碍能力以及通信距离性能进行了理论分析，各项分析结 果表明增加的9 0 0 m h z 和5 8 g h z 频段提高了系统的综合性能指标，表现出优于单 射频的性能特点。而且各个射频模块提供简单的射频接口，方便用户实现更为复 杂的功能。 第五章，对整个论文工作进行总结。 第二章基于s t 平台的2 4 g h z 蓝牙系统开发 第二章基于s t 平台的2 4 g h z 蓝牙系统开发 蓝牙系统开发包括硬件和软件两个部分。硬件开发部分包括3 个层次：射频 无线层、基带层以及链路管理层。其中射频无线层主要完成频率的合成、数据转 换、收发等操作；基带层用于实现数据的编码解码、加密解密、分组处理和跳频 的生成和选择；链路管理层则进行连接的建立和链路的管理。对于软件协议开发 部分，它包括蓝牙协议规范以及应用框架。目前蓝牙芯片比较流行的有两种形式【8 】： 其一，采用将蓝牙射频单元和基带控制器以及一些外围器件封装到一块芯片中的 单芯片机制，该机制的优点是系统高度集成，系统所需的外围器件少，提供给用 户一种简单快捷的开发环境；其二，采用将射频单元、基带控制器独立的双芯片 机制，其可以使用户在进行器件选择、电路设计以及软件编程等方面都有很大的 灵活性。在本课题中，基于对后续多射频蓝牙系统的考虑，采用将基带和射频分 开的双芯片机制。在本章中将对2 4 g h z 蓝牙系统的实现进行具体探讨。 2 1 2 4 g h z 蓝牙系统关键器件选型 2 1 1 蓝牙基带控制器 蓝牙基带控制器模块是蓝牙系统的核心模块。目前市面上的基带控制器基本 上支持蓝牙1 1 和1 2 协议，支持传输速率为1 m b p s 。 表2 1 基带控制器性能对照表 型号制造商主控芯片主要接口射频接口兼容性 s r a m 、f l a s h 、p c m 、 a t 7 6 c 5 51a t m 匣la r m 7功能管脚较多 u a r t 、u s b 、v o i c e 、j t a g u a r t 、u s b 、p c m 、功能管脚较多、 b l u e w a v e o1 h y n i x a r m 7 g p i o ( 1 0 ) 、v o i c e 支持串口通信 s i l i c o nu a r t 、u s b 、p i o ( 3 ) 、 功能管脚较少、 s i w l 7 6 0a i 讣压7 w a v ep c m支持串口通信 u a r t ( 2 ) 、u s b 、p c m 、功能管脚较多、 s t l c 2 4 1 6s ta r m 7 g p i o ( 1 6 ) 、p c m 、1 2 c支持串口通信 3 2b i t蚴r 兀u s b ，p c m ，j s g n 3 1 0 0 s i g n i a 功能管脚数量一般 r i s cg p i o ( 2 4 ) 、p c m 4 蓝牙多射频模块的研究与实现 从表2 1 可以看出，从功能上看，所有的基带芯片可满足目前开发需要。结合 多射频模块切换的需求以及软件协议支持方面，在本课题最终选择s t 公司的基带 控制器s t l c 2 4 16 9 1 。 s t l c 2 4 1 6 是s t 公司推出的较新的一款内嵌4 m b i tf l a s h 的1 8 v 蓝牙基带控 制器。其原理框图如图2 1 所示。 ( 。_ j 仅用于嚣伴铡憾( 庄正常度用场台无面外鹾接) 图2 1s t l c 2 4 1 6 系统框图 以下将对s t l c 2 4 1 6 的性能特点进行介绍： ( 1 ) 支持蓝牙v 1 1 和v 1 2 规范。 ( 2 ) 可支持点对点、点对多点( 最大可支持7 个从设备) 以及散射网组网。 ( 3 ) 支持a c l 链路和同时2 路s c o 链路。 ( 4 ) 支持间距期内的错误掩盖技术( p i t c h p e r i o de r r o rc o n c e a l m e n t ，p p e c ) ， 提高在近距离干扰情况下的通信质量以及与w l a n 的共存性。 ( 5 ) 提供标准的b l u e r f 总线接口。 ( 6 ) 内嵌a r m 7 t d m i3 2 位c p u ，其采用冯诺依曼结构、低功耗且具有嵌 入式实时在线仿真( i nc i r c u i te m u l a t i o n r e a lt i m e ，i c e r t ) 逻辑。 ( 7 ) 片内集成4 m b i tf l a s h 、6 4 k b y t er a m 以及4 k b y t e 引导r o m 。 第二章基于s t 平台的2 4 g h z 蓝牙系统开发 5 s t l c 2 4 1 6 的f l a s h 空间含有用于动态存储数据的8 k 字节非易失内存，底层 协议栈使用该空间来存储蓝牙设备信息，比如：蓝牙设备地址、名称等。其余的 f l a s h 空间用于存放系统程序固件。 ( 8 ) 提供可选择的1 2 3 3 m h z 系统工作时钟。 ( 9 ) 除了支持蓝牙本身的四种低功耗模式之外，额外提供两种低功耗模式：睡 眠模式、深睡眠模式。 ( 1 0 ) 硬件支持多种蓝牙标准数据包类型： a c l d m l 、3 、5 和d h l 、3 、5 ： s c o ：h v l 、3 和d v ； e s c o ：e v 3 、5 。 ( 1 1 ) 强大的外部通信接口： s s i ：支持最大3 2 b i t 数据和不同工业标准； u a r t ：提供2 个增强型且含1 2 8 b y t e sf i f o 的u a r t 接口； u s b ：1 2 m b p s u s b 接口； 同时还提供快速主1 2 c 总线接口、多时隙p c m 接口、1 6 个可编程g p i o 端口、两个外部中断接口以及其他中断接口。 ( 1 2 ) 提供接收信号强度指示( r e c e i v e rs i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n ，r s s i ) 供功 率控制。 ( 1 3 ) 提供单独的外部功率放大器控制端口，支持c l a s s l 功率。 ( 1 4 ) 软件支持： 提供到h c i 层的底层协议或者嵌入式协议； 支持u a r t 和u s bh c i 传输层。 强大灵活的软硬件支持使得s t l c 2 4 1 6 芯片可以广泛的应用于电缆替代、 p d a 、电脑外围设备、调制解调器、照相机以及其它各种需要蓝牙技术进行无线 连接的消费产品中。与此同时，基带芯片s t l c 2 4 1 6 提供标准的射频接口不仅可 以在2 4 g h z 频段上实现无线通信，更方便与其它射频模块进行配合。 2 1 2 蓝牙射频收发器 2 4 g h z 蓝牙射频部分的核心芯片同样选择s t 公司的s t l c 2 1 5 0 t 1 0 1 ，其是一款 集成射频收发器的蓝牙射频芯片，与基带控制器( 如s t l c 2 4 1 6 ) 配合使用可以构 成紧凑而且完整的短距离无线通信的实现方案。 1 s t l c 2 1 5 0 主要特点 支持b l u e t o o v 1 1 协议标准； 支持c l a s s 2 和c l a s s 3 功率控制； 采用c m o s 工艺、低功率损耗； 6 蓝牙多射频模块的研究与实现 支持同向4 3 2 k b p s 和异向7 21 k b p s 无线链路数据传输。 2 s t l c 2 1 5 0 原理框图 s t l c 2 1 5 0 的原理框图如图2 2 所示。以下对各关键部分进行详细介绍： ( 1 ) 射频收发 s t l c 2 1 5 0 内含为无线输入数据进行调制的l o w i f 接收器，所以芯片外部无 需再使用其他的i f 滤波器。芯片内部集成g f s k 解调器，并且提供数字输出数据 和r s s i 信号。发送部分采用g f s k 调制器，可以输出0 d b m 的信号，并且提供可 控制的功率调节方案。 ( 2 ) 基带接口 s t l c 2 1 5 0 使用单向的b l u e r f 兼容接口来控制射频收发器的全部功能，支持 单向的r x m o d e 2 和r x m o d e 2 + 数据模式。 用于数据收发的信号包括：b r s e n ( 收发同步信号) 、b r x e n 和b t x e n ( 收 发使能信号) 、b r x d 和b t x d ( 收发数据信号) 、b r c l k ( 发送数据时钟信号 1 m h z ) 。 用于射频配置信号包括：b m i s o 、b m o s i 、b d c l k 和b n d e n 。这些端口即 4 线的串行j t a g 接口，分别对应于j t a gt d o 、j t a gt d i 、j t a gt c k 和j t a g t m s 。用于进行芯片内部寄存器配置、设置跳频信道以及读取r s s i 信号。 ( 3 ) p l l 锁存以及信道选择 s t l c 2 1 5 0 片内的压控振荡器v c o 涵盖了蓝牙所有频段，单向的b l u e r f 接口 以及4 线的串行j t a g 接口用于控制射频收发器的所有功能，确保与宽范围的基带 处理器协同工作。 p l l 控制射频收发信道的中心频率，可供选择的射频信道频率为： 最4 0 0 = 2 4 0 2 + k x lm h z ，k = o ，7 8 ( 2 1 ) 完全满足标准蓝牙频段。同时从选择跳频信道到p l l 锁定到该跳频信道的稳定时 间典型值为4 0 微秒，最大值为1 0 0 微秒，完全符合蓝牙高速跳频的需求。 图2 2s t l c 2 1 5 0 系统框图 第二章基于s t 平台的2 4 g h z 蓝牙系统开发 7 2 2s t 蓝牙综合开发平台 本课题的蓝牙软件开发是基于s t 公司的蓝牙综合开发平台，以下将对该开发 平台进行详细介绍。 2 2 1s t 蓝牙开发平台特点 s t 公司蓝牙开发平台【1 1 】是针对s t l c 2 4 x x 系列蓝牙基带芯片而开发的，其遵 循b l u e t o o 瓜州v 1 1 和v 1 2 协议，提供给用户一种嵌入式的点对点a c l 链路消息 传输功能以及s c o 链路语音通信功能的开发环境。 s t 蓝牙开发平台的主要特点： 提供用户框架( c u s t o m e rf r a m e w o r k ，c f w ) 。 用于实现用户特定嵌入式应用与蓝牙底层协议之间的无缝连接，提供通用变 量类型接口、函数接口以及出错信息码接口等，方便用户编程以及调试查错。 提供完善的用户程序接口【】2 】( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，a p i ) 。 其提供与实时操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 、硬件( 包括 g p i o 、u a r t 、u s b 、1 2 c 等端口) 以及蓝牙底层协议栈之间所必须的编程接口。 提供完善的f r o s t 库文件供用户自行根据需求加载，优化内存r a m 配置。 提供标准模板的编程、编译、链接环境。 具体可在a d s i 2 开发环境下加载系统提供的模板工程文件，或者在m s d o s 环境下执行系统提供的批处理文件进行编译链接。 固件生成环境简单。 直接在m s d o s 环境下执行系统提供的批处理文件即可生成可下载到f l a s h 中的固件文件。 具体的软件开发平台结构如图2 3 所示，用户可以在系统提供的用户框架c f w 的基础上自行开发上层应用程序，也可以通过第三方协议栈来实现更为复杂的上 层应用。应用程序可以采用嵌入式方案运行于基带芯片内部嵌入的a r m 核，也可 以通过u a r t 或者u s b 端口与p c 主机连接采用双c p u 方式用于更为复杂的应用 场合。 3 蓝牙多射频模块的研究与实现 2 2 2s t 软件平台开发环境 图2 3s t 蓝牙开发平台结构 1 d e l i v e r y 开发环境 ( 1 ) d e l i v e r y 开发环境目录【1 1 j d e l i v e r y 开发环境包括将用户应用程序链接到底层协议栈之间的所有必需文 件。用户在此开发环境下，根据需求编写上层应用软件、执行b u i l d 过程，就可以 生成可下载到基带芯片f l a s h 中的固件文件。该开发环境采用分级目录管理方式， 以下将对各个功能目录进行说明。 b u i l d 目录：该目录下包含对程序编译时所生成的目标文件( 存放于o b j 目 录) 、调试过程文件( 存放于d e b u g 目录) 、输出文件( 存放于o u t p u t 目录) 以及 编译工具文件( 存放于t o o l s 目录) 。另外还包含f l a s h 地址镜像文件b l u e a p p s o f , m s d o s 批处理文件m a k e 、m a k e f i l e 文件以及最终生成的可下载到f l a s h 中去的 固件( a x f 文件) 。 c f w 目录：包含用于数据类型定义、系统全局参数定义以及上下层接口程 序的头文件。 l i b 目录：包含供用户加载的不同用途的f r o s t 库文件。f r o s t 库文件主 第二章基于s t 平台的2 4 g h z 蓝牙系统开发 9 要用于配置用户使用的任务数目、优先级等级等，其提供不同的系统配置方式给 用户，方便用户优化r a m 的使用。 e x a m p l e s 目录：包含用于编译的用户程序。用户程序必须包含的接口头文 件为：c f w g e n e r a l h ( 通用信息说明定义) 、c f w d e f i n i t i o n s h ( 用户任务定义) 、 c f w s i g n a l s h ( 保留信号定义) 、c f w t y p e d e f s h ( 通用变量类型定义) 、c f w p r o t o t y p e s h ( 接口函数定义) 、c f w e r r o r c o d e s h ( 出错信息定义) 。必须包含的模板函数包含： c f w m a i n ( 卜主函数、c f w b a c k g r o u n d ( 卜后台程序、c f w s e t s t a r t u p p a r a m e t e r s 0 系统初始设置函数。 ( 2 ) 编译构建b u i l d 流程 在构建过程中，用户程序源代码通过与b l u e g r a s s 库文件以及f r o s t 库文件 进行编译和链接之后，最终生成可下载到用户硬件平台的固件( a x f 文件) 。具体 的构建流程如图2 4 所示。 图2 。4d e l i v e r y 开发环境b u i l d 流程 以在m s d o s 环境下执行b u i l d 流程进行相关说明： 在进行编译时采用t e e 编译器，其可以快速编译生成较小的目标文件。 b l u e g r a s s 1 i b 库文件是用于加载编译构建过程中的验证信息，并报告警告或 者出错信息，帮助用户查询编译故障。 b l u e a p p 。s c f 是f l a s h 空间程序存放地址映射文件，在进行链接l i n k 时其 作为输入文件加载。 根据需要编译的用户源代码程序编辑修改m a k e b a t 和m a k e f i l e 文件。 默认的编译环境是在m s d o s 环境下进行的，进入m s d o s 环境之后，在 b u i l d 路径下输入“m a k e 妒命令进行编译链接源程序代码，成功后则会生成可 供下载的固件( 丰a x f 文件) 。 2 s t f l a s h l o a d e r 固件下载环境 固件下载使用s t 公司的专用f l a s h 下载工具s t f l a s h l o a d e r 1 3 】。其主要提供固 件烧写下载、蓝牙设备信息烧写下载以及射频校准检验功能，具体的下载界面如 1 0 蓝牙多射频模块的研究与实现 图2 5 所示。 s tn 虹h l o d 盯l l ：t r e n s p o r t e t i o nl a y e r i n f o p a g ee d i t o t ( ：i z e ：i hb y t e s ，t y l ，e ：a s c i i h e x * ) t? 詹| i j ! j 醐 r u s bg e tb u i l di n f o ；n a m em a x s i z et p p ev a l u e ，4 t 盯帔4 1 7 ：l 黑c o 口p o r t sc h o c f f v - 2 0 0 t x o f f l t r 确1h e x a2 0 j ：0 舱 。t x o f f qt r i m1h e x a2 0 ”j j 0 。 r fi ；i m 盏c d i 矗矗i o 一v c o l 。f h 1h e # 寻 蚝 。 ：i _ c r y = t e 2t r i m rc 吖r i c d 岳。 v c o f i x tr i m1l q s x a 0 1 ，i 一一。1b d a d d f e s s6h e x a 0 0 8 0 e 1 0 0 0 0 1 1、 缸c t h o f z ) ir r e o 【z i ， l o w p o w e r 1n e h 80 1 ，t 臻 l o c a l n a m e ，“， 2 4 8a s c ho b l u ed a v s n k笔 舻h o g 蛳a r h l 舻黔蛳r 矗i o p a g e 虹曼i 一- 7 。，一，。：；7 _ ： 缮z 7ji i o w 丑。t a 痧兰i n 4 f e 眵i 。”叠证c k 。o d 毫s d e c “o ”_ 二j ；委o t = , g e ! o p t ：i o n ；_ 。8 旺 j 砷& i 磊s 蠢；婶“_ ：+ j 缕 黟f i * f e t ， i f 口* f t ， ：。：j 、，二j ，。髓： ，i 上n “”。址。删1 ”“”“u ”一“。”。印n a 7 ： 7 转 4 姓“蚰“”“：；rl o gt h et r i m a n dc 毫l i b r = t i e ny 1 1 矿b ft r i m 姐df i r m w a r ed o w 丑l o & a 。e ，+s t a r t a l t o 43 i 广r e * d t h 。h f 。p 铝eb e f 。r et h i 。p e l 精，c l l n 。n i z e ，o 。；：毫。i ? 、：。：i ；善；吐圣i ： c f w d e s t r o y s i g n a l ( i n c o m i n g s i g n a l p ) ； e n do f w h i l e ) 2 3 3 多射频模块方案探讨 对于无线通信系统来说，射频部分是通信系统的“空中接口，不同厂商的设 备要实现兼容或者互操作的基本要求就是射频规范的统一，而且通信质量也是由 射频来决定的【g , 1 4 。本论文研究过程中，在构建的2 4 g h z 蓝牙平台基础上，对关 键引脚的时序进行了测试。测试的目的是：其一，作为该项目的立项要求，需要 测试射频接口时序，提供给其他项目组进行研究；其二，2 4 g h z 射频模块采用 b l u e r f 射频接口，通过对2 , 4 g h z 射频接口时序进行测试分析，可以为后续的 9 0 0 m h z 和5 8 g h z 射频模块设计提供参考依据。 在实现的2 4 g h z 蓝牙系统平台上，建立起点对点的a c l 链路，并对射频接 口进行测试，具体的时序测试结果如图2 1 0 所示。从测试时序图中可以看出， 2 4 g h z 蓝牙射频接口采用b s e n 同步使能信号进行射频收发器使能控制，而且还 采用b r x e n 和b t x e n 信号来分别控制收发时隙，从而确保数据信号的正确性。 由于蓝牙协议标准 1 2 , 3 】采用了国际标准化组织i s o 的开放系统互连参考模型 o s i r m 的分层思想，各个协议层只负责完成自己的职能与任务，并提供与上下层 之间的接口。对于基带和射频来说，在实现设备通信过程中，基带只需提供发送 数据信号和发送数据使能信号到射频，同时射频只需要处理空中数据的收发。射 频部分何时发送、何时接收数据? 某一时刻具体选择某一个跳频信道进行收发? 1 8 蓝牙多射频模块的研究与实现 收发信号进行解调和调制即可。所以多射频蓝牙模块实现过程中，在现有基带协 议基本上不变动的前提下，可以通过对各个射频模块的收发使能以及收发数据的 切换控制就可实现通信设备工作在不同的i s m 频段上。 眦n 广 团_ 厂 厂 盯姗 | 厂 _ 厂 b 嘞直u 二一 b 一 ： ：广 _ 一一一 几 b ! 王：l 一 l 2 4 小结 本章主要阐述了一种基于双芯片机制、c l a s s 2 功率级别的2 4 g h z 蓝牙系统实 现方案。 ( 1 ) 对2 4 g h z 蓝牙器件进行了描述。首先简单列举目前比较流行的几款蓝牙 基带控制器，进行器件选型，然后着重介绍了基带芯片s t l c 2 4 1 6 以及2 4 g h z 射 频集成收发器s t l c 2 1 5 0 的芯片功能。 ( 2 ) 引入s t 公司的嵌入式开发环境。重点介绍了s t 软件开发的核心部分： 蓝牙底层协议栈、用户框架c f w 、用户编程接口a p i ，并对整个软件系统编译、 链接、生成可下载固件以及固件下载的一系列开发环境进行了详尽的说明。 ( 3 ) 具体设计并实现了2 4 g h z 蓝牙系统，在具体的蓝牙硬件系统上通过软件 编程实现了通信链路的建立，然后对射频接口时序部分进行了具体测试分析，在 2 4 g h z 蓝牙系统平台的基础上为多射频蓝牙模块系统的软硬件实现做好准备工 作。 第三章多射频蓝牙系统实现 1 9 第三章多射频蓝牙系统实现 蓝牙工作在全球统一开放的2 4 0 h zi s m 频段。可想而知，该频段的使用是相 当拥挤的，虽然蓝牙采用自适应跳频技术l l 挪，6 j 来避免干扰，但是由于蓝牙、u w b 、 z i g b e e 、8 0 2 1 1 b 等应用的日趋普及，这种干扰也越来越烈。目前，研究蓝牙抗干 扰能力以及与其他设各之间的共存成为国内外研究蓝牙技术的热点之一。在本论 文中，将目前双频手机通信机制的思想引入蓝牙无线通信领域。在2 4 g h z 蓝牙系 统实现的基础上，提出一种基于蓝牙技术的多射频通信方案，并通过具体的软硬 件得以实现。本章中将对该问题进行深入的探讨。 3 1 多射频蓝牙系统方案 全球的i s m 频段共由三部分组成：9 0 2 m h z 9 2 8 m h z 、2 4 g h z - - 2 4 8 3 5 g h z 、 5 7 2 5 g h z - - - 5 8 5 0 g h z 。蓝牙设备工作在常用的2 4 g h zi s m 频段。所涉及的i s m 频段以及各个频段频点分布情况如表3 1 所示。 表3 1i s m 频段分布表 i s m 频段正常范围r f 信道下保护带上保护带 f 2 4 0 0 = 2 4 0 2 + km h z ， 2 4 g h z 2 4 - - - , 2 4 8 3 5 g h z 2 - i z3 5 m h z k = 0 ，7 8 f 9 0 0 = 9 0 3 6 8 + 2 0 4 8 km h z ， 9 0 0 m 晴z9 0 2 9 2 8 m h z1 6 8 m h 21 7 9 2 m h z k = 0 ，1 1 f s s o o = 5 7 2 8 2 5 6 + 2 。0 4 8 x k v i h z ， 5 8 g h z5 7 2 5 5 8 5 0 g h z3 2 5 6 时z2 9 6 m z k = 0 ，5 8 由理论分析【1 4 】可知，电磁波在空中的损耗至少随距离的平方增加，在相同的 发射功率和天线增益的条件下，9 0 0 m h z 射频通信距离是2 4 g h z 通信距离的2 倍 以上。因此，增加9 0 0 m h z 射频不仅可使蓝牙的两个不同的频段之间随意切换工 作，同时也能在不提高功率的情况下，扩大蓝牙的通信距离，提高了蓝牙的扩频 增益。对于5 8 g h z 频段来说，虽然从传输距离上来说该频段没有优势，但其相对 9 0 0 m h z 和2 4 g h z 来说该频段的干扰源要少许多，可使用的频率范围大，有更大 的信道容量。 目前主流技术是将基带芯片和射频芯片集成在一起的单芯片模式，采用该模 蓝牙多射频模块的研究与实现 式可为用户提供一种方便简洁的蓝牙解决方案，例如c s r 公司的b c 0 2 、b c 0 4 等 蓝牙模块。但是基于本论文多射频模块的特殊要求( 配合自行开发研究基带产品 以及提出一种全新的蓝牙抗干扰方式) ，在此采用将基带芯片和射频模块分开双芯 片机制，系统的总体结构框图如图3 1 所示。蓝牙基带与射频模块之间的接口通过 射频总线接口电路来切换实现。2 4 g h z 的蓝牙射频在第二章中已经得以实现，以 下各节将分别对9 0 0 m h z 和5 8 g h z 频段射频模块的工作原理以及软硬件实现方面 进行详细的介绍。 3 2 19 0 0 m h z 射频收发器