（微电子学与固体电子学专业论文）蓝牙语音传输模块的研究与开发.pdf

蓝牙语音传输模块的研究与开发 摘要 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性标全球规范，以低成本近距 离无线连接为基础，为固定和移动设备通信环境建立一个特别连接。语音通信 是蓝牙技术的一项重要应用，目前市场上比较流行的蓝牙耳机和蓝牙车载，其 主要原理就是基于s c o 链路的语音传输技术。语音传输模块的主要作用是进行 语音编解码，上下行分别连接h c i 层和基带层，其核心是连续可变斜率增量调 制( c v s d ) 原理。 本文对于蓝牙系统结构进行了探讨，基于v e r i l o gh d l 语言设计了蓝牙语 音传输模块，并且通过了仿真、综合，最终在f p g a 上实现了语音传输的的功能。 本模块经过进一步优化验证，将作为子模块用于a s i c 设计的蓝牙芯片。在此基 础上进一步对蓝牙h c i 层进行了研究，并且实现了h c i 层与语音传输模块的连 接。最后就无线网的安全问题，讨论了蓝牙跳频算法的性能及安全链路的建立 过程。 关键词；无线蓝牙语音协议编码 s t u d ya n dd e v e l o p m e n to nt h eb l u e t o o t h a u d i ot r a n s m i s s i o nm o d u l e 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 - e o s ts h o r t - r a n g ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r k i n gb e t w e e np c sa n dm o b i l ep h o n e s a u d i o t r a n s m i s s i o ni sai m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fb l u e t o o t ht e c h n o l o g y , f o r e x a m p l e ，b l u e t o o t he a r p h o n ea n db l u e t o o t hi nc a r i t sm a i nt h e o r yi sa u d i o t r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yb a s e do ns c 0l i n k t h em a i nf u n c t i o no fa u d i o t r a n s m i s s i o nm o d u l ei sa u d i oe n c o d ea n dd e c o d e 。t h i sm o d u l ec o n n e c tw i t h h c il a y e ra n db a s e b a n d c v s di st h ec o r eo ft h em o d u l e t h i sa r t i c l er e s e a r c hf o rb l u e t o o t h s y s t e m ，a n dd e s i g n a u d i o t r a n s m i s s i o nm o d u l eb a s e do nv e f i l o gh d l ，s i m u l a t i o n ，s y n t h e s i s ，a ti a s t d o w n l o a di nf p g a ，g e tt h eg o o df u n c t i o no ft r a n s m i s s i o n t h i sm o d u l ew i l l o p t i m i z e ，a n du s e dt ob l u e t o o t hc h i po fa s i cd e s i g n n e x t ，f u r t h e rr e s e a r c h a b o u th c il a y e ro fb l u e t o o t h a c h i e v et h ec o n n e c t i o nb e t w e e nh c il a y e r a n db l u e t o o t ha u d i ot r a n s m i s s i o nm o d u l e a tl a s t ，d i s c u s st h es k i ps p e c t r u m a n dt h ep r o c e s so ft h es a f e l i n k ，f o rt h es a f ei s s u ei nt h ew i r e l e s sn e t k e yw o r d s ：w i r e l e s s b l u e t o o t ha u d i o p r o t o c o l e n c o d e 图片清单 图2 - l 蓝牙系统组成6 图2 2 底层软件结构1 0 图2 3 完整的蓝牙协议栈一1 2 图3 1p c m 编码示意图，1 5 图3 2c v s d 编码示意图1 6 图3 3d v 分组格式1 7 图3 - 4 使用传输速率最高的d h 5 包1 9 图3 - 5 存在一个h v 3s c o 链路1 9 图3 - 6 存在两个h v 3s c o 链路1 9 图3 7 存在一个h v 2 链路1 9 图3 8 存在一个h v l 链路2 0 图3 - 9 蓝牙语音与电话控制在蓝牙协议栈中位置2 0 图3 1 0 蓝牙无绳电话和对讲设备的协议框架2 2 图3 1 1头戴式设备和免提设备的协议框架2 2 图3 1 2a v r c p 的协议栈2 3 图3 1 3g a v d p 的协议堆栈2 3 图3 1 4a 2 d p 的协议框架2 3 图4 1 编码方式下的c v s d 系统框图一2 6 图4 - 2解码方式下的c v s d 系统框图2 7 图4 3c v s d 编码程序流程2 7 图4 - 4 c v s d 解码程序流程一2 8 图4 5 输入信号3 0 图4 6c v s d 的编码输出3 0 图4 7 阶梯波形3 0 图4 8 输出波形l o u t 3 0 图4 9 编码模块e n e o d e r 的仿真波形3 2 图4 1 0 解码模块d e c o d e r 的仿真波形 3 4 图5 1 蓝牙主机一主机控制器模型3 6 图5 2h c l 指令分组格式3 7 图5 3h c i 事件分组格式3 8 图5 - 4h c i 的a c l 数据分组格式一3 8 图5 5h c i 的s c o 数据分组格式3 8 图5 - 6 蓝牙h c i 软件结构4 2 图5 7h c i 层和语音传输模块问的连接4 3 v 1 图6 1 图6 2 图6 3 图6 4 图6 5 图6 6 第一次匹配过程4 6 跳频选择方案的一般框图4 7 连接状态下的跳频选择方案4 8 7 9 跳系统跳频选择内核框图4 8 蝶型运算4 9 建立安全链路流程5 2 表2 1 表3 - 1 表3 - 2 表3 - 3 表4 1 表4 2 表6 1 表6 2 表6 3 表格清单 蓝牙频段分配7 a c l 链路包有效载荷部分基本特征1 8 a c l 链路包在对称、非对称通信方式下的最大传输速率1 8 不同类型蓝牙包的吞吐量2 0 不同层次的描述方式2 5 c v s d 参数值2 9 鉴权和加密中的实体4 6 7 9 跳系统蝶型控制4 9 7 9 跳跳频频率出现次数统计5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，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 盒胆王些太堂 或其他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傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字佣闭坪字吼叫年6 月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 佥魍王些盔堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阕。本人 授权 金匿王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者躲协翊叶导师繇彩嚷 签字慨7 口6 月乡日 | 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 签字眺斫年月歹曰 电话： 邮编： 致谢 三年愉快的学习生活很快就要过去了，感觉这几年下来，自己变成熟了， 无论是专业知识的掌握还是综合素质的提高，都比本科毕业时上了一个台阶， 而我的这些成长是和学校里的关心和支持分不开的，所以心里充满了感激之情。 首先我要感谢我的导师黄英老师，这几年来，她给我了很多学习和生活上 的帮助。她严谨的治学精神和谦逊的态度，使我受益匪浅，让我逐步树立了认 真的学习态度，这些对我将来的工作都有很大的益处。另外，她平易近人，我 们相处的非常愉快，从中我也学到了很多做入的道理。 其次我要感谢我们微电子专业的同学们，三年的相处使我们建立了深厚的 友谊，和他们的谈话中我也得到了很多的启发。在这里我要特别感谢：王敏、 信磊、陈跃飞、刘炳龙、程松、王曙光、耿罗锋 我还要感谢深圳刨辉电脑的周志中经理，给我了参与蓝牙项目组实习的机 会，从中我学到了很多实际的经验。 最后，我要感谢我的家人，我的父母在学习和生活上给了我无微不至的关 怀，他们一直是我人生最大的动力。 胡闻珊 2 0 0 7 0 5 1 1 蓝牙技术的发展 第一章绪论 蓝牙是从英文b l u e t o o t h 单词直译而来的【l l ，是一种低功耗的短距离无线通 信技术，其设计意图是取代现有的个人计算机、打印机、传真机和移动电话等 设备上接口的有线电缆。 1 9 9 8 年5 月，由爱立信、i b m 、i n t e l 、诺基压和东芝5 家公司联合制定了 短距离无线通信技术标准，其目的是实现最高数据传输率1 m b s ( 有效传输数率 7 2 1 k b s ) 、最大传输距离为1 0 m 的无线通信技术标准。该技术标准命名为 b l u e t o o t h ，b l u e t o o t h 是欧洲中世纪丹麦一个国王的绰号，他统一了四分五裂的 国家，立下了不朽的功劳。取名为蓝牙，暗示该技术必将统一世界，成为一种 全球性的通信标准。 此后，蓝牙s i g ( 蓝牙国际组织) 不断的更新蓝牙规范的版本，从1 9 9 9 年 7 月的1 0 规范的推出，发展到2 0 0 4 年1 1 月的2 0 标准，使蓝牙的应用逐步扩 展到多媒体设备中。新版本的蓝牙标准具有更高的传输速率，提供的带宽是以 前蓝牙带宽的3 倍，并且在传输大量数据文件时，耗电量只有旧版本蓝牙标准 的一半。另外，新版本的蓝牙标准还具有向下兼容性。 1 2 蓝牙技术的特点 蓝牙技术提供低成本、近距离的无线通信网络，使近距离内的固定和移动 设备实现资源共享。它具有以下的特点： 1 开放性，蓝牙技术工作在全球通用的2 4 g h z 频段，即i s m 频段。i s m 频段是指用于工业、科学和医学的全球公用频段，可以免费使用。 2 低成本，将蓝牙模块看作一个短距离通信系统，目前它的价格不算高。 目前，大规模购买的蓝牙模块平均价格已经降至5 美元以下，国内主流蓝牙芯 片的价格大约为l o o 元以内。 3 安全性，蓝牙协议提供了认证和加密，以实现链路级安全。蓝牙具有每 秒1 6 0 0 跳的速度，使得在2 4 g h z 这个多于扰的环境中，比其它系统更稳定， 抗干扰能力更强。 4 便携性，可体现在两方面，一是实现体积小，可以直接嵌入到小型和微 型设备中，二是功耗小，一般发射功率仅为l m w ，可以用于电池供电的场合。 除了蓝牙技术，短距离无线通信标准还有w i f i 、h o m e r f 、红外等，它们 各自都有不同的特点，可以互补使用于不同的场合。 w i f i ( 8 0 2 1 1 ) 一度曾传言将代替蓝牙【2 引，但人们很快发现，它具有很大的 局限性，它主要用于p c 和掌上设备，而蓝牙可以在任何移动、固定终端上使 用。另外，w i f i 支持的厂家数量非常少，并且价格非常高。还有一点就是w i f i 仅支持数据业务，而蓝牙同时支持数据和语音业务。 h o m e r f 专门为家庭用户设计，用户通过家庭中的一台主机在移动数据和 语音设备间实现通信。最大优势在于相对较低的价位，但是由于它的高功耗和 不稳定性又限制了发展。 红外技术由红外数据标准协会利用红外线进行点对点视距传输特点而制定 的标准【 】。目前其传输速率可达1 6 m b p s ，接收角度为1 2 0 0 。，红外技术的实现 和操作都相对简单，而且成本低廉，但是最大的缺点是只能进行视距传输，通 信设备中间不能存在阻挡物。 以上我们可以看出蓝牙技术与其他短距离通信标准相比，都具有不同的优 越性。所以蓝牙技术成为当今短距离通信的主流，也就不足为奇了。 1 3 国内外研究现状 未来的信息家电以i n t e r n e t 和家庭网络为基础、以无线连接实现双向传输， 是具有一定智能的3 c ( c o m p u t e r 、c o m m u n i c a t i o n 、c o n s u m e r ) 相融合的信息 产品，蓝牙技术是符合信息家电发展的优选技术。蓝牙技术把各种便携式电脑 与蜂窝电话用无线电连接起来，使计算机与通信更加密切结合，使人们能随时 随地地进行数据信息的交换与传输。因此，计算机行业、移动通信行业都对蓝 牙技术很重视，认为将对未来的无线移动数据通信业务有巨大的作用，预计在 近几年内无线数据通信业务将迅速增长。 制约蓝牙产品推出的主要有四大因素：尺寸、芯片价格、模块生产和测试 f 2 们。针对这四个问题，以国外c s r 公司为主要代表的公司已经取得了较大的 发展。 目前c s r 等蓝牙开发的前驱公司普遍使用l f b g a ( l o wf o o tb a l lg r i d a r r a v 8 8 2 4 r a m ) 的封装方式，可以在如此小的芯片下容纳1 0 0 以上的管脚， 从而可以将尽量多的功能集成到一个芯片内，实现单一芯片化，外围器件下降 到1 7 个以下，从而减小了应用时占用电路印制板的面积和布线难度。 随着外围配置元件最大可能的集成，芯片的综合使用成本大幅度下降，从 去年的5 美元，不断的下降，2 0 0 6 年出货量达到5 1 5 亿套，2 0 0 7 年预估蓝牙 晶片总出货量将增长4 7 ，2 0 1 0 年全球蓝牙模块出货量将增长到1 6 亿。2 0 1 0 年蓝牙模块的销售收入将从去年的1 4 7 亿美元增长到3 2 亿美元以上。 蓝牙模块生产目前存在两个技术问题：一是决定模块小型化的安装技术； 二是包含天线在内的最佳设计。解决小型化安装技术问题，制造成本还会进一 步下降。关于天线的设计及装于何处也是个大问题，如果设备框体和内部构造 不同，天线的特性将有巨大变化。目前普遍使用陶瓷贴片天线和p c b 微带天线， 天线切换开关内置等技术，特别是使用了l f b g a 技术使小型化成为可能。 2 在软件开发周期中，测试所占成本约达6 0 。对于通信产品来说，完成一 致性测试、互连测试和性能测试是至关重要的。蓝牙硬件产品的测试主要是互 连性测试和性能测试，由提供商完成。但目前b l u e t o o t hs i g 推出的测试规范 中，对状态转移和数据输出的覆盖率都非常小，即便按这些规范完成了软硬的 测试，也难以保证蓝牙产品的正确性。蓝牙规范2 0 版本除了将速率提高到4 m b p s 外，对产品的兼容性也有很大的提高【2 7 1 。 在中国，北京邮电大学的周正、李帧等人组成了中国的蓝牙研究小组， 力图推动蓝牙在中国的广泛使用。由华为、联想、康佳等i t 业和家电业巨头组 成的“中国闪联”已经将蓝牙技术作为今后中国数字家庭中小数据量传输和交 换的主要手段之一，整合到家电、电脑和监控系统中。 1 4 蓝牙语音 蓝牙的语音传输采用t d m a ( 时分多址) 方式，支持异步数据信道、语音信 道以及异步数据和同步语音同时传输的信道，每个语音信道数据速率为 6 4 k b p s 。蓝牙的基带符号速率为1 m b s ，采用数据包的形式按时隙传送，每时隙 0 6 2 5 m s ，不排除将来采用更高的符号速率。蓝牙系统支持实时的同步定向连接 和非实时的异步不定向连接，分别为s c o 链路( s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o n 一0 r i e n t e dl i n k ) 和a c l 链路( as y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n l e s s l i n k ) ，s c o 链路主要传送语音等实时性强的信息，在规定的时隙传输；a c l 链路则以数据为主，可在任意时隙传输。但当a c l 传输占用s c o 的预留时隙 时，一旦系统需要s c o 传输，a c l 则自动让出这些时隙以保证s c o 的实时性。 这样做充分保证了语音的实时性。 蓝牙支持6 4 k b s 的实时语音传输和各种速率的数据传输，语音编码采用对 数脉冲调制编码( p c m ) ，也可以采用连续变化斜率增量调制编码 ( 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 ) 。语音通道采用哪一种编 码方式决定于具体的应用。不管采用哪种编码方法，蓝牙系统都不重发话音数 据包。 虽然蓝牙无线通信需要的音频不仅仅使语音，但是音频为语音进行了优化 设计，声音在一段时间内是连续的，因此是时间受限的。蓝牙音频通信业务的 传输速率是6 4 k b p s ，这完全能满足普通语音交谈的要求，虽然不排斥其他的音 频媒体在蓝牙音频链路上的传输，但是这些音频通信业务不是蓝牙音频通信设 计的基础，蓝牙音频是语音通信业务为中心。 1 5 研究的意义 现代信息社会正在向智能化数字化的方向发展，社会的每一个成员的每一 件智能化的设备都能时时刻刻、随时随地很方便地连接到网络上。这样全球信 息一体化就会上升到一个新水平。蓝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 【1 8 l ，它将会像一种无所不在的、数 字化的神经末梢一样，把现有的各种网络终端设备和各种信息化的设备在近距 离内都能连接起来。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。蓝牙技术激 励创新并且为人们提供了创新的机会，它为用户提供便利且新颖的技术应用。 蓝牙技术是一项面向个人的通信技术。中国目前有十几亿人口，电视机、 电脑、移动电话、固定电话的用户数量非常客观，这意味着我国信息化网络产 品市场是十分巨大的。充分利用中国市场的优势，开发适合中国人需求的应用 产品，正是中国企业的优势所在。蓝牙技术是一种全球统一的技术标准，可以 很好地解决产品的相互兼容问题，而且蓝牙技术的复杂程度相对较低，掌握起 来较容易，更重要的是，它的技术是开放的，可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提供了新的商机，它的开放性使国内外企 业站在同一条起跑线上，这对我国的信息家电企业来说是一次决好的调整产品 结构的机会。虽然现在蓝牙技术还不是尽善尽美，但它的优势已经相当明显。 在信息产业部相关主管部门的宏观指导下，蓝牙技术发展与应用论坛已应运而 生。中国3 g 产业联盟也将成立相关组织，以促进蓝牙技术在中国的发展。 利用蓝牙技术传输语音的特点，科研人员研究出很多相关的蓝牙产品。最 流行的莫过于蓝牙耳机了，蓝牙耳机是一种无线连接而带话筒的耳机，它可以 让客户彻底摆脱现在有线耳机的不便，在接听电话的同时腾出手来做其他工作， 而且它的辐射量远小于一般手机的有线耳机( 不到手机耳机的十分之一) ，使用 是完全不必担心会引发脑部疾病，非常有益于人体健康。蓝牙耳机应用在车载 上，就可以让客户安心的驾驶，只要对着耳机说出对方的名字，电话就会自动 连接到对方。接听来电时，只要轻轻按一下耳机就能交谈，这样就避免了很多 潜在的交通事故。 1 6 本文的工作 目前基于蓝牙2 0 协议设计的蓝牙产品，几乎所有的蓝牙语音模块都是用 c 语言设计实现，上行是和蓝牙应用层之间连接，下行连接蓝牙的基带层，这 样做的好处在于实现起来比较容易，容易查找错误，但是这样的实现方式必定 会使得基带层的部分模块也用c 实现，这样就增加了基带层的设计难度，所以 通常基带层的设计都需要大量的人力来完成。而本文所设计的蓝牙语音模块是 基于v e r i l o gh d l 语言的全硬件设计，上行连接h c i 的硬件层，下行连接基带 层，基带层也完全用v e r i l o gh d l 语言来实现，这样就大大降低了整合的难度， 并且易于理解、易于维护。这点就是本文的创新之处。 本文的工作主要是对蓝牙协议及其语音传输原理加以分析研究，基于 4 v e r i l o gh d l 语言设计出蓝牙语音传输模块，并且经过测试验证，最终达到较 好传输效果。 具体工作如下： 介绍蓝牙系统组成以及核心协议 对蓝牙的语音传输进行了分析，包括语音编码算法、语音链路及其应用框 架 设计蓝牙语音传输模块，通过测试验证，达到较好传输效果。 分析蓝牙语音传输模块和h c i 接口的连接 本课题是基于总体蓝牙项目中的蓝牙语音模块设计，未来可以和蓝牙其他 结构组成完整的一体，从而实现蓝牙整体的功能，目前，本课题还在进行之中， 预计在半年内整合并测试完毕。 2 1 蓝牙系统结构 第二章蓝牙通信技术 蓝牙系统结构一般可分为四层：天线与基带( r a d i o & b a s e b a n d ) 层；链路 管理层及逻辑链路控制与自适应协议( l i n km a n a g e & l 2 c a p ) 层：主机控制接 口( h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 层和应用框架与支持( a p p l i c a t i o n f r a m e w o r k & s u p p o r t ) 层【2 】【3 】【4 】。天线与基带层主要规定硬件设备的功能，负责 射频处理和基频调制的功能。链路管理层及逻辑链路控制与自适应协议层主要 完成底层通信协议( 如物理层、m a c 层) 的功能，链路管理器主要负责基带连 接的设定及管理，逻辑链路控制与自适应协议( l 2 c a p ) 负责基带数据的分段 及重组、多路复用和服务质量( q o s ) 等功能。主机控制接口提供蓝牙与主机 设备之间连接接口的控制指令。应用和支持层主要为各种应用( 如语音、数据 等) 提供应用软件所需要的通信协议与应用程序接口，如t c p i p ，r f c o m m 等。蓝牙系统组成如图1 所示p “。 2 。1 1 天线层 恒匦毗口 图2 - 1 蓝牙系统组成 蓝牙要求其天线部分体积小巧、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 d b m 的基础上的。空中接口遵循f e d e r a l c o m m u n i c a t i o nc o m m i s s i o n ( f c c ，美国联邦通信委员会) 有关电平为0 d b m 的 i s m 频段的标准。如果全球电平达到1 0 0 m w 以上，可以使用扩展频谱功能来 增加一些补充业务【2 ”。 频谱扩展功能是通过始频率为2 4 0 2 g h z ，终止频率为2 4 8 0 g h z ，间隔为 1 m h z 的7 9 隔跳频频点来实现的。出于某些本地规定的考虑，日本、法国和戏 班下都缩减了带宽，在该频段里设定了2 3 隔射频跳频电，其带宽仍以l m h z 为间隔。最大的跳频速率为1 6 0 0 跳秒。理想的连接范围为1 0 0 m m - 1 0 m ，但是 通过增大发送电平可以将距离延长至l o o m 。蓝牙工作在全球通用的2 4 g h z i s m ( 即工业、科学、医学) 频段。蓝牙的数据速率为l m b i “s 。i s m 频带是所 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、微波炉等，都可能是干扰。 为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术是 6 把频带分成若干隔跳频信道( h o pc h a n n e l ) ，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，只有收发双发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择代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( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ，t d d ) 方案被用来实现全双工传输。与其 他工作在相同频段的系统相比，蓝牙的跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其 它系统都更稳定。f e c ( f o r w a r d e r r o r c o r r e c t i o n ，前向纠错) 的使用抑制了长距 离链路的随机噪声，应用了二进制调频( f m ) 技术的跳频收发器被用来抑制干 扰和防止衰落。 表2 - i蓝牙频段分配1 2 1 1 地理位置i 翱频段范围( 瓤西 射频信道频率0 1 a z ) 中国、美屠、歇溅2 4 0 0 0 - - 2 4 8 笺5f 啭o 豁kk 在0 。7 8 中随机取值 法医2 4 4 6 5 - 钨8 3 5f = 2 4 5 4 + k # k 在0 。气2 2 中隆机墩值 日本2 4 7 1 蝴9 7 of = 2 4 7 3 * k ：k 在乱。2 2 中箍执取蕴 西班牙 2 4 4 5 。0 - - 2 4 7 5 0 f = - 2 4 4 9 + r lk 在0 ，2 2 中藏执取值 2 1 2 基带层 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u “。 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 0 两种连接方式”l 。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 0 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 0 为对称连接，支持实时语音传输， 7 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i 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 验证和加密 验证和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，可能需要一次验证或两次验证，或无需验证验证对于任何一个蓝牙系统 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，密匙长度可以匙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 1 3 链路管理层及逻辑控制与自适应协议层 1 链路管理层 蓝牙链路控制硬件单元目前主要包括三个集成芯片：连接控制器、基带处 理器以及射频传输接收器，此时还使用了3 0 5 0 个单独调谐元件。基带链路 控制器负责处理基带协议和其他一些低层常规协议【2 “。 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【1 1 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 df 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【2 4 1 保持模式下的蓝牙主从设备 间的a c l 链路可以在一段制定的保持时间内不进行a c l 分组通信，s c o 链路 8 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间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响应增加或减少睡眠 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推出呼吸模式休眠模式使节能最多的一种 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 联度 可以采用服务质量由主设备同志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 2 逻辑链路控制与自适应协议层 逻辑链路控制与自适应协议层( l 2 c a p ) 完成通信过程中数据链路的建立 和数据传输，几乎所有的应用模型都要使用l 2 c a p 。l 2 c a p 协议是蓝牙核心 协议中最为复杂的一个【2 ”。 l 2 c a p 是一个为高层传输层和应用层协议屏蔽基带协议的适配协议。 l 2 c a p 位于基带协议之上，属于数据链路层，为高层提供面向连接和面向五连 接的数据服务，完成协议复用、分段和重组、服务质量( q o s ) 以及组抽象等 功能。允许高层协议和应用程序收发大小为6 4 k b 的l 2 c a p 数据包。支持基带 面向无连接的异步传输( a c l ) ，不支持面向连接的同步传输( s c o ) ，a c l 链 路支持“尽力而为”( b e s t e f f o i ) 的服务类型 2 1 4 主机控制器接口层 主机控制器接口( h c i ) 提供对基带控制器和链路管理曾的命令接口，以及对 硬件状态和控制注册会员的访问。该接口还提供对蓝牙基带的统一访问模式。 图2 3 提供了对软件层底层的概述。通过访问基带命令对链路管理器、硬 9 件状态注册器、控制注册器、事件注册器等的访问，h c i 规范实现了蓝牙硬件 h c i 命令。 蓝学是帆 l 其德商展粥韵程序 i l 姗能动拦序 l l 耘殚蕊缝 l 嘲m 盹矗荐驱动程穆 l r 物理慧线l l t ， 蜘燃粼洲露) 罐纷 l 酣 j r 觥ll 磊麟雠i l 鏊带拶制静 i 蓝牙壤俸 图2 2 底层软件结构【7 在主机系统h c i 驱动程序和蓝牙硬件h c i 基础间存在许多层次。这些中间 层和主控制器传输层提供了没有数据描述信息的情况下传输数据的能力。 主机h c i 驱动程序在蓝牙硬件上与h c i 基础交换数据和命令。主机控制传 输层的驱动程序( 如物理总线) 为h c i 两层提供互相交换信息的能力。 主机将收到h c i 事件的异步通知，而不管正在使用哪个主控制器传输层。 h c i 事件由于在发生时通知主机。如果发现某事件已经发生，它就会分析接收 的事件分组以确定发生的是哪个事件。 h c i 层是蓝牙实现语音传输的重要部分，文章在第五章将进一步说明。 2 1 5 应用框架和支持层 蓝牙应用框架展示了蓝牙技术的实际用途。尽管蓝牙规范定义了很多应用 ( 如文件传输、数据访问点、实时同步、终端耳机等) ，但不外乎分为三大范畴： 语音数据访问点、外设连接和个人网络( p a n ) 。本文的设计 1 语音数据访问点 语音，数据访问点是最早提出的应用模型，它的目的是通过安全的无线设备 1 0 和通信设备连接起来。比如，一台装备了蓝牙芯片的计算机连接到一个装备了 蓝牙芯片的手机上以收取i n t e r n e t 上的e m a i l ，这时手机就是数据访问点。换句 话说，如果口袋放了手机，那么手里的笔记本电脑就可以上网。蓝牙规范允许 装备了蓝牙芯片的任何设备只要位于数据访问点的有效范围内，就可以轻易的 上网。 2 外设连接 由于蓝牙链路被嵌入到计算机内部，根本无需电缆接口，因此外设的成本 会下降。另外，不少外设还可以有不同的使用环境，而只需一个统一的蓝牙接 口。 3 个人网络 个人网络重点解决特制个人网络间的建立和解除。假设两个人在机场会面 并交换机密文件，这时只要建立一个两人之间的特制网，他们就可以快速安全 地交换笔记本电脑里的资料，而无需担心被人窃取。 2 2 蓝牙的软件协议栈 蓝牙的软件协议栈是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑，它符 合已经制定好的蓝牙规范。蓝牙规范包括两部分：第一部分为核心( c o r e ) 部 分，用以规定诸如射频、基带、连接管理、业务搜寻( s e r v i c ed i s c o v e r y ) 、传 输层以及不同通信协议间的互动、互操作性等组件；第二部分为协议子集 ( p r o f i l e ) 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。 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( q o s ) 、协议的复用和分用等功能。 蓝牙的软件协议分低层协议和高层协议两部分，低层协议的程序以目标码 的格式存放在基带模块的存储器中，主机的处理器支持高层协议的源程序，主 机通过主机控制接口与低层协议协调。嵌入式的蓝牙系统低层协议和高层协议 都集成在单芯片内。其核心协议包括：基带协议( b b p ) 、链路管理协议( l m p ) 、 逻辑链路控制与自适应协议( l 2 c a p ) 、服务搜索协议( s d p ) 、射频通信协议 ( r f c o m m ) 等。b b p 可提供同步面向链接( s c o ) 业务和异步无链接( a c l ) 业务。l m p 负责建立和解除主从设备单元之间的连接、鉴权和加密功能，另外 还控制主从设备单元的工作模式。l 2 c a p 向r f c o m m 和s d p 等层提供面向链 接和无链接的服务。基带数据业务可直接通过l 2 c a p 向高层协议传送数据。 r f c o m m 可以仿真r s 2 3 2 等串行电缆接口协议，通过r f c o m m 可在无线环 境下实现对t c p i p 、w a p 等高层协议的支持，以及支持电话传送控制协议a t 命令集等。s d p 可发现哪些服务准备就绪，决定服务的特制，它是所有用户模 式的基础。 高层协议中包含： 1 ) 电话控制协议( t c s 二进制) ，是面向比特的协议。它定义了蓝牙设备 间建立语音和数据呼叫的控制指令，定义了处理蓝牙t c s 设备群的移 动管理进程。 2 ) 点对点协议( p p p ) ，在蓝牙技术中，p p p 位于r f c o m m 上层，完成点对 点的连接。 3 ) u d p t c p i p 协议，由i n t e r n e t 工作任务组( i e t f ) 制定，广泛应用于 互联网通信，在蓝牙设备中使用这些协议是为了与互联网连接的设备 进行通信。 4 ) 对象交换协议( o b e x ) ，i r o b e x ( 简写为o b e x ) 是由红外数据协会( i r o a ) 制定的方式交换对象。o b e x 是一种类似于h t t p 的协议，这里假设传输 层是可靠的，采用客户机服务器模式，独立于传输机制和传输应用程 序接口( a p i ) 。 5 ) 电子名片交换格式( v c a r d ) 、电子日历及日程交换格式( v c a l ) ，它们 都是开放性规范，没有定义传输机制，而只是定义了数据传输模式。 s i g 采用v c a r d v c a l 规范，是为了进一步促进个人信息交换。 6 ) 无线应用协议( w a p ) ，是由无线应用协议论坛制定，它融合了各种广 域无线网络技术，其目的是将互联网内中和电话债券的业务传送到数 字蜂窝电话和其他无线终端上。完整的蓝牙协议栈如图2 2 所示。 臣磊f i ( 电子名片，电予日l i ! 鬯! 壁堡堡垩! l 2 3 蓝牙技术的实现 图2 - 3 完整的蓝牙协议栈1 8 开发一个蓝牙产品一般需要以下几个步骤【2 9 】： 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响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