（微电子学与固体电子学专业论文）蓝牙无线通信模块设计.pdf

摘要 摘要 蓝牙是一种抗干扰能力强、保密性好、功耗低的无线互连技术。蓝牙自1 9 9 8 年提出至今，已得到飞速发展，在许多领域得到广泛应用。随着近年来蓝牙技术 的不断发展，在功耗不断降低的情形下，蓝牙的传输速率已经不断地得到提高， 使蓝牙的应用范围更加广泛，可以应用于无线数据传输、语音传输和无线视频传 输等。但对于蓝牙应用厂商，因为蓝牙芯片封装形式为b g a 封装，这就需要对p c b 制造以及焊接时工艺的要求非常苛刻，而如果应用方案中的电路只有蓝牙部分要 求这么高的生产和焊接工艺，那么对就无疑增加了整个系统制造的成本，因此一 般会将蓝牙电路部分单独设计成模块，这样有利于产品的测试、成本的降低以及 系统的稳定。 在两个或多个网路互连时，一般蓝牙模块的低功率和高频率限制了其应用范 围，为了扩大应用范围，可以引进蜂窝或者微蜂窝的网路架构或者透过增大发射 功率扩大覆盖半径等措施来实现。前者实现成本较高，而后者则相对比较便宜， 且容易实现。现有的产品基本上通信距离都比较小，本文主要研究的是距离扩展 射频前端的方案与硬件的实现，透过增大发射信号功率、放大接收信号提升灵敏 度以及选择增益较大的天线来实现，同时实现了双向收发。 在本论文中提出了一系列基于c s r 公司的b 1 u e c o r e 0 4 一e x t e r n a l 芯片的蓝牙 无线通信模块的设计与实现方案，包括蓝牙c l a s s l u s b 语音d o n g l e 、蓝牙c l a s s 2 u s b 语音d o n g l e 、b c 0 4 单级p ac l a s s l 模块和b c 0 4 双级p ac l a s s l 模块。首先， 简要介绍了蓝牙的一些关键技术和蓝牙协议2 0 的改进，以及蓝牙射频前端及收 发性能参数；其次，从系统设计的角度出发，讲述了射频放大器电路设计的基本 理论依据，并且以射频芯片的实际应用为例来说明以系统最大输出功率和整机最 佳噪声系数为优化指标来设计功率放大器和低噪声放大器的方法；最后，基于 b l u e c o r e 0 4 - e x t e r n a l 芯片根据不同的应用设计了一系列蓝牙无线通信模块，在不 同的环境中测试了各个蓝牙无线通信模块的性能，经过实地测试，一系列蓝牙无 线通信模块均具有良好的性能。 综上所述，对于上述一系列蓝牙无线通信模块来说，其不仅改善了蓝牙通信 距离短、传输速率低两个关键指标，另外还在c l a s s l u s b 语音d o n g l e 和c l a s s 2u s b 语音d o n g l e 中增加了语音通信的功能；同时，将蓝牙电路部分单独设计成模块， 更利于产品的测试、成本的降低以及系统的稳定，值得进一步去探讨和研究。 关键词：蓝牙无线通信模块印制电路板射频放大器 a b s t r a c t h i a b s 仃a c t b l u e t o o t hi so n eo fw 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 sw i t ht h ea d v a n t a g e so f s t r o n g e ra n t i i n t e r f e r e n c e ，b e t t e rk e e p i n gs e c r e ta t t r i b u t i o na n dl o w e rp o w e rd i s s i p a t i o n s i n c eb o mi n1 9 9 8 ，b l u e t o o t ht e c h n o l o g yh a sb e e nb r o u g h ti n t ow i d eu s ei nm a n y f i e l d s a tf a s t e ra p p l i c a t i o nr a t e a c c o m p a n y i n gt h ec o n t i n u a l l yi m p r o v e m e n to fb l u e t o o t h ，t h e p o w e rc o n s u m p t i o ni sr e d u c e da sw e l la st h e t r a n s m i s s i o ns p e e di sg o t t e nh i g h e r w h i c h i n t r o d u c et h ew o n d e r f u ls i t u a t i o no fb l u e t o o t ht e c h n o l o g yt ob ew i d e l yu s e di nm o r e a n dm o r ef i e l d s ，s u c h 龉d a t a , a u d i o ，a n dv i d e ow i r e l e s st r a n s m i s s i o n h o w e v e r , i ti ss t i l l ah a r dw o r kf o rm a n ym a n u f a c t u r e r st om a k eap r o d u c tw i t hb l u e t o o t h f o ro n et h i n g ， m o s tb l u e t o o t hc h i p sa r ed e s i g n e dw i t hb g ap a c k a g et h a tw i l lm a k eah i g h e rr e q u e s t f o rp c b d e s i g na n dw e l d i n gt e c h n o l o g y f o ra n o t h e r , h i g h e rd e s i g na n dw e l d i n g q u a l i t y o fb l u e t o o t hc i r c u i tw i l la b s o l u t e l yi n c r e a s et h et o t a lp r o d u c tc o s t s o ，i ti si m p o r t a n tt o d e s i g nt h eb l u e t o o t hc i r c u i ti n t oas i n g l em o d u l ei nm a n ya p p f i c a t i o n st h a tw i l lp r o v i d e a l le a s i e rt e s t i n gw a y ，al o w e rp r o d u c tc o s ta n das t a b l ew o r k i n gs y s t e m w h e na p p l i e di nt w oo rm o r en e t w o r k sc o m m u n i c a t i o n ，i t sr a n g ei sl i m i t e db y t h e l o wt r a n s m i tp o w e ra n dh i g hf r e q u e n c yo fc o m m o nb l u e t o o t ht r a n s c e i v e rm o d u l e s t o s p r e a dt h ec o m m u n i c a t i o nr a n g e ，w ec o u l di n t r o d u c ei nc e l l u l a ro ri n c r e a s et r a n s m i t s p o w e r t h ec o s to fp r e v i o u so n e i sm u c hh i g h e rt h a nt h es e c o n do n e ，a n dt h es e c o n do n e i s e a s yt oc a i t yo u t h o w e v e rt h ec o m m u n i c a t i o nr a n g eo fc o m m e r c i a lb l u e t o o t h t r a n s c e i v e rm o d u l e si sn o te n o u g h ，s oar e s e a r c ha n di m p l e m e n tm e t h o di sp u r p o s e d h e r et oe n h a n c et h ec o m m u n i c a t i o nr a n g eo fr ff r o n t - e n dm o d u l e ，b ye n l a r g e t r a n s m i s s i o np o w e r , e n h a n c es e n s i t i v i t y , a n di n c r e a s ea n t e n n ad i r e c t i v eg a i n ar e s e a r c ha n di m p l e m e n tm e t h o do ns e r i e so fb l u e t o o t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m o d u l e sb a s e do nt h eb c 0 4 一e x t e r n a lc h i po fc s rc o r p o r a t i o n ，i n c l u d eb l u e t o o t h c l a s s lu s ba u d i od o n g l e ，b l u e t o o t hc l a s s 2u s ba u d i od o n g l e ，b c 0 4b l u e t o o t h c l a s slm o d u l ew i t hs i n g l es t a g ep aa n db c 0 4b l u e t o o t hc l a s s 1m o d u l ew i t ht w os t a g e p a f i r s t l y , r e l e v a n tc o n t e n t sa n dp r i n c i p l e so fb l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n d b l u e t o o t hr f f r o n t e n dp a r a m e t e r sa r ec l a r i f i e d s e c o n d l y ，i n t r o d u c er fa m p l i f i e rd e s i g np r i n c i p l e s f r o ms y s t e mp o i n t ，a n dt h e nd e s i g nl n aa n dp aw i t ha c t u a lr f i c ，w i t hm a x i m u m o u t p u tp o w e ra n dm i n i m u ms y s t e mn o i s e a so p t i m i z e dt a r g e t s t h i r d l y , d e s i g ns e r i e so f b l u e t o o t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e sb a s e do nt h eb c 0 4 - e x t e r n a lc h i po fc s r c o r p o r a t i o n ，a c c o r d i n gt od i f f e r e n ta p p l i c a t i o n f i n a l l y ，a s e r i e st e s t sa r ec a r r i e do u t u n d e rd i f f e r e n te n v i r o n m e n t s t h et e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h es e l g m a d eb c 0 4c l a s s 1 i v 蓝牙无线通信模块设计 m o d u l e sc a ns c r a pp o i n t - t o - p o i n tc o n n e c t i o na n db es t a b l yw o r k e da th i g h e rr a t e i nc o n c l u s i o n , a sf a ra ss e r i e so fb l u c t o o t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e sw i t h t l i g h - s p e e dc h a r a c t e r i s t i ci sc o n c e r n e d ，i tn o to n l yi m p r o v et h ek e yp a r a m e t e r so fl o w e r c o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ea n dt r a n s m i s s i o nr a t e 。b u ta l s oa d dn e wf u n c t i o n so fa u d i o c o m m u n i c a t i o nt ob l u e t o o t hc l a s s lu s ba u d i od o n g l c ，b l u e t o o t hc l a s s 2u s ba u d i o d o n g l e a tt h es a m et i m e ，i ta l s oh a st h ea d v a n t a g e so fe a s et ot e s t , l o wp r o d u c tc o s t a n ds t a b l es y s t e m s o ，i ti sw o r t hu sf o rf 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 s ：b l u e t o o t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e p r i n t e dc i r c u i t b o a r dr fa m p l i f i e r 独创性( 或创新憎声明 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：杠 日期：2 竺堑必 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撰写的文章一律署名 单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： 跏躲醚莲 刷磁轹瞳喜鹃 日期：迎堕：! ：乡 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的意义 1 9 9 8 年5 月，爱立信、诺基亚、东芝、m m 以及英特尔等五家世界著名大公 司联合宣布了一项叫做“蓝牙一( b l u e t o o t h ) 的计划f l 】，并创建了蓝牙技术联盟 ( b l u e t o o t hs i g ) 。这项计划公布后，迅速得到包括摩托罗拉、朗讯、康柏、西门子、 高通、3 c o r n 、t d k 等大公司在内的许多厂商的支持。蓝牙技术的发展已受到世界 各国的广泛关注，我国政府对于蓝牙技术的发展与应用给予了很大的支持。蓝牙 技术的产品在我国拥有巨大的市场，我们不应该把它完全让给国外的公司，我国 的产业界应该有更多的参与，抓住机遇，利用这一项应用广泛的高新技术带动传 统产业的改造，加速实现我国信息化的进程。 蓝牙e i 2 , 3 i 作在全球统一开放的2 4 g h zi s m 频段，是一种低功耗的短距离无 线通信技术 5 】，目的是取代现有的p c 、打印机、传真机和移动电话等设备上的有 线接口，而蓝牙模块作为蓝牙技术的硬件载体，可以提供低成本、近距离的无线 通信，构成固定和移动设备通信环境中的个人网络，使得近距离的各种信息设备 能够实现无缝资源共享，对推进无线技术的发展具有重要意义。但是，现在市场 上的蓝牙模块存在着接口少、距离短、速度慢等缺点，对于一些特殊场合还无法 使用。随着蓝牙2 0 协议【2 】的推出，其不仅从安全性、抗干扰能力有显著改善，而 且由于采用增强型数据速率( e d r ) 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。本课题就是尝试利用符合蓝牙最 新的2 0 协议的通信芯片设计出一系列多功能、多接口、远距离、高速度的蓝牙收 发模块。 1 2 实现的目标 在基于蓝牙通信的嵌入式无线通信系统中，应用系统通过蓝牙无线通信模块 在一定的应用距离内实现组网，数据、音频和视频传输。蓝牙射频收发模块通过 u a r t 接口、u s b 接口、s p i 接口、p i o 接口和p c m 音频接口跟嵌入式系统相连， 实现数据的传输。我们实际应用中的c s r 公司的蓝牙芯片b l u e c o r e 0 4 一e x t e r n a l t 6 的接口示意图如图1 2 1 所示。 本文所讲述的蓝牙模块保留了上述蓝牙芯片的多个接口，因此可以应用于不 同的嵌入式系统中，可以通过不同的接口跟应用系统相连，这样保证了蓝牙模块 具有广泛的通用性，避免了重复开发，利于产品的测试、维护、成本的降低以及 系统的稳定。 2蓝牙无线通信模块设计 蓝牙无线通信模块的接口示意图如图1 2 2 所示。 图1 2 1b l u e c o r e 0 4 e x t e r n a l 接口框图 + r f 高速益牙覆块 图1 2 2 蓝牙射频收发模块接口框图 一般蓝牙主要应用于短距离通信，在一些特殊嵌入式应用中，需要收发模块 具有较大的覆盖范围，一般的蓝牙模块无法达到这些覆盖范围。为了扩大覆盖范 围，可以引入蜂窝或者微蜂窝的网路架构或者透过增大发射功率扩大覆盖半径等 措施来实现。前者实现成本较高，而后者则相对比较便宜，且容易实现。本文设 计的蓝牙收发模块采用了第二个方案，这样在扩大覆盖范围的同时保证了收发模 块的通用性。本文主要研究了距离扩展射频前端的方案与硬件的实现，透过增大 发射信号功率、放大接收信号灵敏度以及选择增益较大的天线来实现，满足了系 统对覆盖范围的要求。另外本文还研究并实现了在蓝牙模块增加了无线语音通信 的功能。 1 3 论文内容和作者所作工作 本论文主要描述了基于c s r 公司的b l u e c o r e 0 4 e x t e r n a l 芯片的一系列蓝牙无 线通信模块的设计与实现。在实现具体蓝牙模块的过程中，本人主要的工作是射 第一章绪论 频放大器设计、射频p c b 技术和电磁兼容性等理论的研究学习，并应用于一系列 的蓝牙无线通信模块的电路设计和硬件电路板的实现，最后在不同的应用环境中 测试了各个蓝牙模块的性能。 本论文各章的结构安排如下： 第二章首先介绍了蓝牙的几个关键技术，然后从蓝牙协议栈入手说明了最新 的蓝牙2 0 协议和以前的蓝牙协议之间的区别，以及如何将蓝牙的传输速率大幅度 的提高。最后简要介绍了蓝牙射频前端收发参数。 第三章将基于射频芯片的放大器的设计的应用电路为基础，利用s m i t h 圆图和 计算机模拟、优化，以系统最大输出功率和整机最佳噪声系数为优化指标，以射 频放大器的设计理论为依据，设计了蓝牙射频收发模块中的低噪声放大器( l n a ) 和功率放大器( p a ) 。 第四章选择了c s r 公司的b l u e c o r e 0 4 - e x t e r n a l 芯片作为一系列蓝牙无线通 信模块的设计平台，确定了蓝牙模块的设计方案，根据各个模块性能的要求选择 了合适的器件；然后分析并设计蓝牙模块的电路原理图，如收发控制电路、音频 编解码电路和电源电路等；接着分析并设计完成了各个模块的p c b 设计；最后在 不同的测试环境中测试了各个模块的性能。 第五章对整个论文工作进行总结。 第二章蓝牙无线通信关键技术5 第二章蓝牙无线通信关键技术 本章首先介绍了蓝牙的几个关键技术，然后从蓝牙协议栈入手说明了最新的 蓝牙2 0 协议和以前的蓝牙协议之间的区别，以及如何将蓝牙的传输速率大幅度的 提高。最后介绍了蓝牙射频前端部分的性能参数。 2 1 蓝牙技术概述 蓝牙1 4 是无线数据和语音传输的开放式标准，它将各种通信设备、计算机及其 终端设备、各种数字数据系统、甚至家用电器采用无线方式联接起来。它的传输 距离为1 0 c m - - 1 0 m ，如果增加功率或是加上某些外设便可达至l j1 0 0 m 的传输距离。 它采用2 4 g h zi s m 频段和调频、跳频技术，使用前向纠错编码( f e c ) 、a r q 、t d d 和基带协议。t d m a 每时隙为6 2 5 陋，基带传输速率为1 m b p s ，最新的e d r 技术使 该速率提高至3 m b p s 。蓝牙支持6 4 k b s 实时语音传输和各种速率的数据传输，语音 编码为线性脉冲编码调匍j ( p c m ，p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 、a 律p c m 或连续可变斜率 增量调g u ( c v s d ，c o n t i n u o u sv a r i a b l es l o p ed e l t am o d u l a t i o n ) ，发射功率分别为 i m w 、2 5 m w 和1 0 0 m w ，并使用全球统一的4 8 比特的设备识别码。由于蓝牙采用 无线接口来代替有线电缆连接，具有很强的移植性，并且适用于多种场合，加上 该技术功耗低、对人体危害小，而且应用简单、容易实现，所以易于推广。 蓝牙技术的应用范围相当广泛【1 1 1 ，可以广泛应用于局域网络中各类数据及语 音设备，如p c 、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话 和高品质耳机等，蓝牙的无线通讯方式将上述设备连成一个微微网，多个微微网 之间也可以进行互连接，从而实现各类设备之间随时随地进行通信。应用蓝牙技 术的典型环境有无线办公环境、汽车工业、信息家电、医疗设备以及学校教育和 工厂自动控制等。目前，已有很多蓝牙产品已经问世，一些芯片厂商已经开始着 手改进具有蓝牙功能的芯片。与此同时，一些颇具实力的软件公司或者推出自已 的协议栈软件，或者与芯片厂商合作推出蓝牙技术实现的具体方案。尽管如此， 蓝牙技术要真正普及开来还需要解决以下几个问题：首先要降低成本；其次要实 现方便、实用，并真正给人们带来实惠和好处；第三要安全、稳定、可靠地进行 工作；第四要尽快出台一个有权威的国际标准。一旦上述问题被解决，蓝牙将迅 速改变人们的生活与工作方式，并大大提高人们的生活质量。 2 1 1 蓝牙关键技术介绍 1 跳频技术 蓝牙的载频选用全球通用的2 4 g h zi s m 频段，由于2 4 g h z 的频段是对所有 6 蓝牙无线通信模块设计 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。采用跳频扩谱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。 依据各国的具体情况，以2 4 5 g h z 为中心频率，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。在发射带宽为1 m h z 时，其有效数据速率为7 2 1 k b s ， 并采用低功率时分复用方式发射。蓝牙技术理想的连接范围为1 0 厘米1 0 米，但 是通过增大发射功率可以将距离延长至1 0 0 米。跳频扩谱技术是蓝牙使用的关键 技术之一。对单时隙分组，蓝牙的跳频速率为1 6 0 0 跳秒；对多时隙包，跳频速率 有所降低；但在建立链路时则提高为3 2 0 0 跳j 眇。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。与其他工作在相同频段的系统 相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，因此更稳定。 2 微微网和分散网 当两个蓝牙设备成功建立链路后，一个微微网便形成了，两者之间的通信通 过无线电波在7 9 个信道中随机跳转而完成。 微微网信道由一主单元标识( 提供跳频序列) 和系统时钟( 提供跳频相位) 来定义，其它为从单元。每一蓝牙无线系统有一本地时钟，没有通常的定时参考。 当一个微微网建立后，从单元进行时钟补偿，使之与主单元同步，微微网释放后， 补偿亦取消，但可存储起来以便再用。一条普通的微微网信道的单元数量为8 个 ( 1 主7 从) ，可保证单元间有效寻址和大容量通信。实际上，一个微微网中互连 设备的数量是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8 个，其中1 个为主，7 个 为从。蓝牙系统建立在对等通信基础上，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。每一单元皆可为主从单元，可定义建立微微 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存 在，同一区域内多个微微网的互联形成了分散网。不同的微微网信道有不同的主 单元，因而存在不同的跳转模式。 蓝牙系统可优化到在同一区域中有数十个微微网运行，而没有明显的性能下 降。蓝牙时隙连接采用基于包的通信，使不同微微网可互联。欲连接单元可加入 到不同微微网中，但因无线信号只能调制到单一跳频载波上，任一时刻单元只能 在一微微网中通信。通过调整微微网信道参数( 即主单元标志和主单元时钟) ，单 第二章蓝牙无线通信关键技术 7 元可从一微微网跳到另一微微网中，并可改变任务。例如某一时刻在微微网中的 主单元，另一时刻在另一微微网中为从单元。由于主单元参数标识了微微网信道 的跳转模式，因此一单元不可能在不同的微微网中都为主单元。跳频选择机制应 设计成允许微微网间可相互通信，通过改变标志和时钟输入到选择机制，新微微 网可立即选择新的跳频。为了使不同微微网间的跳频可行，数据流体系中没有保 护时间，以防止不同微微网的时隙差异。在蓝牙系统中，引入了保留( h o l d ) 模 式，允许一单元暂时离开一微微网而访问另一微微网。 3 时分多址( t d m a ) 的调制技术【1 4 】 在1 0 版本的技术标准中，蓝牙的基带比特速率为1 m b s ，采用t d d 方案来 实现全双工传输，因此蓝牙的一个基带帧包括两个分组，首先是发送分组，然后 是接收分组。蓝牙系统既支持电路交换也支持分组交换，支持实时的同步定向链 接( s c o ) 和非实时的异步非定向链接( a c l ) 。 s c o 链路是微微网中单一主单元和单一从单元之间的一种点对点对称的链 路。主单元采用按照规定间隔预留时隙( 电路交换类型) 的方式可以维护s c o 链 路。主单元可以支持多达三条并发s c o 链路，而从单元则可以支持两条或者三条 s c o 链路，s c o 链路上的数据包不会重新传送。s c o 链路主要用于6 4 k b s 的语音 传输。 a c l 链路是微微网内主单元和全部从单元之间点对多点链路。在没有为s c o 链路预留时隙的情况下，主单元可以对任意从单元在某一时隙的基础上建立a c l 链路，其中也包括了从单元已经使用某条s c o 链路的情况( 分组交换类型) 。对 大多数a c l 数据包来说都可以应用数据包重传。a c l 链路主要以数据为主，可在 任意时隙传输。 4 编址技术 蓝牙有4 种基本类型的设备地址： 木b d _ a d d r ：b d _ a d d r 是一个4 8 位长地址，该地址符合i e e e 8 0 2 标准， 可划分为l a p ( 2 4 位地址低端部分) 、u a p ( 8 位地址高端部分) 和n a p ( 1 6 位 无意义地址部分) 三部分。 j l a m _ a d d r ：a m _ a d d r 是3 位长的活动成员地址，所有的0 信息a m _ a d d r 都用于广播消息。 ；i ：p m _ a d d r - p m _ a d d r 是8 位长的成员地址，分配给处于暂停状态的从单 元使用。 j i ca r _ a d d r a r _ a d d r 是访问请求地址( a c c e s s r e q u e s ta d d r e s s ) ，被暂停 状态的从单元用该地址来确定访问窗口内从单元一主单元半时隙，通过它发送访 问消息。 任一蓝牙设备，都可根据i e e e 8 0 2 标准得到一个惟一的4 8 b i t 的b d _ a d d r 。 蓝牙无线通信模块设计 它是一个公开的地址码，可以通过人工或自动进行查询。在b d _ a d d r 基础上， 使用一些性能良好的算法可获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码( d ) 在全球的惟一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。 5 分层次的协议结构 根据应用的不同，软件协议栈1 9 也有两种实现方式：双c p u 方案和嵌入式方 案。双c p u 方案的协议栈是基于主机端的，低层的蓝牙协议( 无线部分、基带、 低级链路管理层p ) 由蓝牙设备中的嵌入式处理器完成，高层的蓝牙协议( 高 级链路管理协议l 2 c a p 、串口仿真以及各种应用框架) 由主机操作系统完成。这 种方案是基于p c 机、p d a 等有处理能力的主机。 嵌入式方案的软件协议栈也有相似的协议分层，但不具备h c i 接口，全部协 议栈将下载到蓝牙设备内核处理器的程序存储器中。操作将通过人机接口控制， 如鼠标的按键、无线耳机的话音激励等。 软件协议栈应能与不同类型的c p u 组合在一起，h c i 应有效的支持硬件接口。 特别是当采用u s b 作为主机接口时，这时的蓝牙设备作为从设备来和主机通信， 内核驱动程序和客户端驱动应满足u s b l 1 规范。 根据通讯协议，各种蓝牙设备无论在任何地方，都可以通过人工或自动查询 来发现其它蓝牙设备，从而构成微微网和散射网，实现系统提供的各种功能，使 用起来十分方便。 6 低功耗 蓝牙设备在通信连接状态下，有4 种工作模式：激活( a c t i v e ) 模式、侦听( s n i f ) 模式、保持( h o l d ) 模式和休h 民( p a r k ) 模式。激活模式是正常的工作状态，另外 三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。 在侦听模式下，从设备降低了从微微网“收听 消息的速率，仅在制定的时 隙上嗅探，而在空时隙上侦听，以节约功率。嗅探的时间间隔可以根据应用要求 作适当调整。主设备将定期唤醒处于节能状态下的从设备，唤醒周期一般为若干 个时隙。在唤醒期间，侦听设备可以发送数据。 在保持模式下，只有一个内部计数器在工作。主设备可以把某台从设备置为 保持模式，从设备也可以主动要求被置为保持状态。从设备停止监听来自主设各 的数据分组，但保持其激活成员地址。一旦处于保持状态的单元被唤醒，则数据 传送立即重新开始。保持状态一般被用于多个微微网相连的情况，或者用于连接 耗能低的设备。 在休眠模式下，主从设备间依旧保持同步，此时从设备不需要保留其激活成 员地址( 州j 山d r ) ，但又被赋予了一个8 b i t 的休眠成员地址( p ma d d r ) ，偶 尔收听主设备的消息以保持与微微网的同步。激活成员地址和休眠成员地址的结 合可以使一个微微网中有2 5 6 个蓝牙设备同步运行，但是同时只有8 个设备可以 第二章蓝牙无线通信关键技术 9 互相交换数据。 这3 种节能模式中，侦听模式的功耗最高，对于主设备的响应最快，休眠模 式的功耗最低，对主设备的响应最慢。 7 纠错技术 蓝牙系统的纠错机制分为f e c 和包重发。f e c 支持1 3 率和2 3 率f e c 码。 1 3 率仅用3 位重复编码，大部分在接收端判决，既可用于数据包头，也可用于s c o 连接的包负载。2 1 3 率码使用一种缩短的汉明码，误码捕捉用于解码，它既可用于 s c o 连接的同步包负载，也可用于a c l 连接的异步包负载。在a c l 连接中，可 用a r q 结构。在这种结构中，若接收方没有响应，则发端将包重发。每一负载包 含有一c r c ，用来检测误码。a r q 结构分为：停止等待a r q 、向后n 个a r q 、 重复选择a r q 和混合结构。 为了减少复杂性，使开销和无效重发为最小，蓝牙执行快a r q 结构：发送端 在t x 时隙重发包，在r x 时隙提示包接收情况。若加入2 3 率f e c 码，将得到i 类混合a r q 结构的结果。a c k n a c k 信息加载在返回包的包头里，在r x t x 的 结构交换时间里，判定接收包是否正确。在返回包的包头里，生成a c k n a c k 域， 同时，接收包包头的a c k n a c k 域可表明前面的负载是否正确接收，决定是否需 要重发或发送下一个包。由于处理时间短，当包接收时，解码选择在空闲时间进 行，并要简化f e c 编码结构，以加快处理速度。快速a r q 结构与停止等待a r q 结构相似，但时延最小，实际上没有由a r q 结构引起的附加时延。该结构比向后 n 个a r q 更有效，并与重复选择a r q 效率相同，但由于只有失效的包被重发， 可减少开销。在快速a r q 结构中，仅有1 位序列号就够了( 为了滤除在a c k n a c k 域中的错误而正确接收两次数据包) 。 2 1 2 蓝牙协议2 0 的改进 蓝牙协议2 0 相对蓝牙协议1 2 来说主要是引入的增强速率模式，它主要是改 变了数据包的调制配置。接入码( a c c e s sc o d e ) 和数据包的包头( p a c k e th e a d e r ) 都是采用了和以前一样的1m b p sg f s k 基础调制方式，而其后的同步序列 ( s y n c h r o n i z a t i o ns e q u e n c e ) 、负载( p a y l o a d ) 和追踪序列( t r a i l e rs e q u e n c e ) 使 用增强速率模式( e n h a n c e dd a t ar a t e ) p s k 调制方式。 蓝牙的增强速率模式又分为2m b p s 速率模式和3m b p s 速率模式，使用的都 是p s k 调制模式。设原始二进制码流为f 玩1 ，n = l ，2 ，n ，经过m 进制差分相位 调制n 伽后的映射序列为 & ) ，k = l ，2 ，n l 0 9 2 ( m ) 。n 不一定是l 0 9 2 ( m ) 的整数 倍，最后不够可以加零补齐。输出信号s 。定义如下； s k = _ l e 胞，k = 1 ，2 ，n l 0 9 2 ( m ) ( 2 1 1 ) l o 蓝牙无线通信模块设计 s o - - e 一，矽 o ，2 x ) 2 m b p s 速率模式采用7 附四进制差分移相键控( 7 皑d q p s k ) ，格林编码如表 2 1 1 所示。 不。 表2 1 1r , 4 - d q p s k 映射 2 j 2 nk纯 o0r d 4 o13 艄 l1 3 7 泓 l07 c 4 3 m b p s 速率模式采用八进制差分移相键控( 8 d p s k ) ，格林编码如表2 1 2 所 表2 1 28 d p s k 映射 岛心吃h 纯 0o0o 00 1r d 4 0l1r d 2 ol03 r d 4 110尢 l113 r d 4 1 0l - r d 2 l0o。r d 4 2 2 蓝牙射频前端及收发性能参数 蓝牙技术诞生的初衷是以低功耗、低成本的无线接口取代现在纷繁复杂的有 线接口。蓝牙射频【7 】部分不是重新开发的新技术，而是采用了在技术和市场上已经 成熟的协议和算法。其收发机的拓扑结构随着时间和半导体工艺升级，在不同的 时期有不同的热点。比如从超外差结构，到低中频结构、零中频结构，到直接a d c 转换结构。不同的拓扑结构会在性能与功耗、面积，外接元件成本上各有自己的 优缺点，会在不同的应用场合中显示出自身的优势，当然性能与功耗、面积的考 虑都是所有系统设计者必须反复权衡的问题。本节主要介绍蓝牙射频协议规范， 包括频段和信道安排、射频收发信机的性能、时隙与分组类型等。 第二章蓝牙无线通信关键技术 2 2 1 蓝牙射频概述 对于无线通信系统而言，射频部分就是通信系统的“空中接口一，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 由射频来实现。蓝牙射频规范规定了蓝牙射频频段、调制方式、跳频频率、发射 功率、接收机灵敏度等参数。 2 2 2 频段和信道安排 蓝牙工作在无需许可证的2 4 g h zi s m 频段上，表2 2 1 列出了目前世界上各 个国家的蓝牙频段和信道频率。蓝牙采用了跳频扩谱技术主动地去避免工作频段 受干扰( 来自微波炉、无线局域网设备等) 。 表2 2 1 蓝牙频段分配 c 咖h 7取e q 椒哪鼬啦窑e l 强c 缸啦船l s e u r o p e & u s a2 4 0 0 2 船3 j n 珏k f = 2 4 0 2 + i c 和暖臣 k = o 7 8 j a p a n 2 4 7 l 一2 4 9 7 姚 f = 1 4 7 j + l c 如岱k t = 0 , 2 2 s p a i n ：4 4 5 2 4 7 5 剐匿【zf - 2 4 4 9 4 - k z k = 峨2 2 r - 1 2 1 1 蛰e f = 2 4 5 4 + k k 吐 k = o - 。2 2 2 4 4 6 5 2 4 8 3h 娩 e x c e p ts p a r e 删f r a n c e 我国地蓝牙射频频段跟欧洲和美国一样，最低频率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隔为1 m h z 。为减少带 外的辐射和干扰，保留的上、下保护频带分别为3 5 m h z 和2 m h z 。7 9 个跳频频点 中至少由7 5 个应该伪随机地进行跳变，在一个3 0 s 的时间段内，任何一个频点的 使用时间不得超过0 4 s 。 2 2 3 蓝牙发射机性能 根据蓝牙发射器发射功率电平大小，蓝牙设备有3 个功率级别。1 级功率的蓝 牙设备发射功率伪1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) ；2 级功率的蓝牙设备发射功率为2 5 r o w ( 约 4 d b m ) ；3 级功率的蓝牙设备发射功率为l m w ( o d b m ) 。 1 蓝牙射频调制特性 蓝牙射频采用的调制方式时高斯滤波的二进制频移键控( g a u s s i a nf r e q u e n c y s h i f tk e y i n g ，g f s k ) ，码元带宽积b t = 0 5 ，调制指数( m o d u l a t i o ni n d e x ) h = o 2 8 0 3 5 。蓝牙射频数据速率为l h f o p s ，最小频偏不小于1 1 5 k h z ，过零误差 小于1 8 码元周期。二进制“1 用正频偏表示，“0 用负频偏表示。符号定时( s y m b o l t i m i n g ) 精度高于_ + 2 0 p p m 。发射序列1 0 1 0 的最小频偏不小于发射序列0 0 0 0 1 1 1 1 频偏的8 0 。 2 蓝牙射频的杂散辐射( s p u r i o se m i s s i o n ) ( 1 ) 带内杂散辐射 1 2 蓝牙无线通信模块设计 蓝牙发射器信号必须通过一个频谱整形器( f r e q u e n c ym a s k ) ，其频谱必须与 美国联邦通信委员会( f c c ) 的2 0 d b 带宽定义相一致，并且根据f c c 的标准进行 测量。除了f c c 的要求，相邻信道功率也作出了定义。发射功率在l o o k h z 带宽上 进行，发射器在信道m 上发射一个伪随机序列，相邻信道功率在信道n 上测量。 发送频谱整形的要求如表2 2 2 所示。 表2 2 2