（微电子学与固体电子学专业论文）蓝牙基带数据处理关键技术研究及vlsi实现.pdf

摘要 摘要 蓝牙技术是一种低成本、低功耗的短距离无线通讯技术，它支持点到点、点 到多点的语音、数据业务的短距离无线通信。基带处理器中的数据流处理部分是 蓝牙硬件结构中的一个重要的组成部分，它完成底层的数据处理工作。 随着集成电路规模的不断增大，集成电路设计的难度也相应的不断增大。p 技术的产生就是为了减小集成电路设计难度，特别是当s o c 技术出现后。口技 术是可以加速集成电路设计的一项技术，具有可复用性以及可移植性等特点，是 s o c 设计的基础，利用i p 技术来开发蓝牙基带处理，可以加快蓝牙基带处理器 的工程实用化。 本文在对蓝牙系统进行简单介绍的基础上，分析了蓝牙基带底层数据的组成 部分以及蓝牙基带对底层数据所进行的处理；介绍了口技术的设计流程以及验证 流程，并基于p 设计方法对蓝牙基带以及数据流处理部分进行模块划分，给出了 蓝牙基带处理器中数据流模块的一种设计解决方案。 本文以蓝牙协议1 1 为标准，详细介绍了蓝牙协议基带部分的具体内容，并 在此基础上，利用有限状态机的理论提取出实现数据流功能的有限状态机。在状 态机的控制下完成蓝牙基带对数据的处理。详细的描述了蓝牙基带数据分组的组 成、差错控制编码以及加密白化算法及其硬件实现方法。用v e r i l o g 硬件描述语言 来实现了蓝牙基带数据流处理部分，该部分包括了接入码的产生与相关、前向纠 错机制( 包括1 3 f e c 和2 3 f e c 两种纠错方式) 、h e c 的产生与校验、有效载荷 的循环冗余校验码的产生与校验、有效载荷的加密白化等功能，并使这些功能模 块在数据流控制器的控制下进行协调的工作，以来完成蓝牙基带数据处理的功能。 最后通过e d a 工具的仿真验证来验证其功能的正确性。 关键字：基带数据流i p 白化蓝牙技术 a b s t r a c ti i i a b s t r a c t b l u e t o o t hi st h et e c l m o l o g yf o r s h o r t r a n g e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw i t h l o w - c o s ta n dl o w - p o w e r , a n di tp r o v i d e st h ea u d i oa n dd a t at r a n s f e rw i t h w i r e l e s s c o n n e c t i o nf o rb o t hp o i n t - t o - p o i n ta n dp o i n t - t o m u l t i p o i n t t h ed a t a - p a t hp a r to f b a s e b a n di st h ev e r yi m p o r t a n tp a r ti nb l u e t o o t hh a r d w a r es t r u c t u r e ，a n di td e a l sw i t h d a t ap r o c e s s i n g t h eg r e a t e ro ft h ei c ss c a l e ，t h em o r ed i f f i c u l tf o ri cd e s i g n e rt od e s i g n a n di p t e c h n o l o g yi sg e n e r a t e dt od e c r e a s et h ed i f f i c u l t yo ft h ei cd e s i g n i pc o r e s ，w h i c ha r e r e u s a b l e ，c a na c c e l e r a t et h ep r o c e s so fi cd e s i g n ，s oi ts h o u l db ef a s t e ri ft h eb l u e t o o t h b a s e b a n dc a nb ed e s i g n e do rd e v e l o p e dw i t ht h ei pc o r et e c h n o l o g y b l u e t o o t hs y s t e mh a sb e e ns i m p l yi n t r o d u c e d , a n dt h es t r u c t u r eo ft h ep a c k e c t s a n dt h ed a t ap r o c e s s i n go ft h ed a t aw h a tb l u e t o o hb a s e b a n dd e a l s 、析t l lh a sb e e n d e t a i l e di n t r o d u c e d t h ed e s i g nf l o wa n dv e r i f i c a t i o nf l o wo fi pc o r et e c h n o l o g yh a s b e e ns i m p l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r b o t hb l u e t o o t hb a s e b a n da n dd a t a - p a t ha r e p a r t i t e di n t os o m em o d u l e su s i n gt h et e c h n o l o g yo fi pc o r e b a s e b a n dp a r to fb l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o nh a sb e e nd e t a i l e di n t r o d u c e db a s e do n t h eb l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o n1 1 ；a n dt h e nt h ef s mh a sb e e na b s t r a c t e dt or e a l i z et h e f u n c t i o no fd a t a - p a t h 、访t ht h et h e o r yo ff s m t h ed a t a - p a t hd e a l sw i t ht h ed a t a p r o c e s s i n g 、析mt h ec o n t r o lo ft h ef s m t h ed a t a p a t hd e a l s 、耐t l lt h ed a t au n d e rt h e c o n t r o lo ft h ef s m b l u e t o o t hb a s e b a n dp a c k e t s ，t h ee r r o rc o n t r o lc o d e sa n de n c r y p t i o n h a v eb e e nd e t a i l e di n t r o d u c e di nt h et h e s i s a n dd a t a - p a t h ，w h i c hr e a l i z e db yt h e v e r i l o gh d l ，i n c l u d e st h ea c c e s sc o d eg e n e r a t e do rc o r r e l a t e d ，f e c ，h e c ，t h ec r c o f t h ep a y l o a d ，e n c r y p t i o na n dw h i t e n k e y w o r d s ：b a s e b a n dd a t a - p a t h i pw h i t e nb l u e t o o t h 创新性声明 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，本人承担一切相关责任。 本人签名：主互盛 日 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。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 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。( 保密论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：五孳盛 聊签名逆 日 日 飙塑监争 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的及意义 蓝牙基带数据流处理部分【l 】处理的是蓝牙基带底层的数据，是蓝牙通信中数 据传输的核心部分之一，实现将上层要发送的数据进行封装以及解析接收到的数 据并传输给上层应用系统。 蓝牙的硬件开发是掌握蓝牙核心技术的关键。蓝牙基带处理器完成的是蓝牙 通信系统的底层数据处理和链路的控制，是蓝牙硬件结构的组成部分之一。而数 据流的处理，又是蓝牙基带处理器的核心内容之一。 1 2 蓝牙技术的简介 1 2 1 蓝牙技术的产生 随着数字化网络信息的到来，数字化设备的有线连接给人们随时随地的与信 息网络相连和通讯带来了很多的不便。发展无线通讯连接技术已经成为一种必然 趋势，蓝牙技术也顺应这样趋势而产生，1 9 9 8 年5 月由爱立信( e 耐c s o n ) ，国 际商用机器( i b m ) ，英特尔( i n t e l ) ，诺基亚( n o k i a ) ，东芝( t o s h i b a ) 等五 家公司联合制定的近距离无线通讯技术标准一一蓝牙技术规范1 o ，目的是实现最 高传输速率为1 m b p s ( 有效传输速率为7 2 1k b p s ) ，最大传输距离是1 0 米的无线 通讯。 自1 9 9 8 年5 月蓝牙宣布成立后，大量的公司签署了蓝牙许可证协议，获批准 开发和销售蓝牙设备，这些公司主要集中在汽车工业、工业自动化、电子消费品 和家用电器等。特别是1 9 9 9 年1 1 月摩托罗拉( m o t o r o l a ) ，朗讯( l u c e n t ) ，微软 ( m i c r o s o f t ) 以及3 c o m 加盟上述的5 公司后，成为s i g ( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ) 组织的9 个发起成员，蓝牙技术得到了强有力的发展已及推广，显示出更明朗的 前景。2 0 0 2 年3 月，电气电子工程师协会( i e e e ) 表示，已经批准了蓝牙标准。 i e e e 批准蓝牙标准后为蓝牙设备的普及铺平了道路。随着蓝牙技术在笔记本电脑 以及手持设备上广泛的应用，蓝牙的优势显示出了勃勃生机，全世界已有两千多 家公司加入了蓝牙特别兴趣小组( s i g ) ，并正在共同制定蓝牙技术标准，使蓝牙 技术不断完善。 2 蓝牙基带数据处理关键技术研究及v l s i 实现 1 2 2 蓝牙技术的特点 蓝牙技术是一种无线数据与数字通信的开放性全球标准【2 圳。它以低成本的近 距离无线连接为基础，为固定与移动通信环境建立了一个接入点。利用该技术可 以使移动通信与计算机网络进一步结合，使不同的厂商生产的移动设备在没有电 线或者电缆相互连接的情况下，能在一定范围内进行数据信息的交换和传输，从 而减轻了人们对电线或电缆的依赖，并且是信息交换更加方便，更加自由。 蓝牙技术所用的频段是在全球通用的2 4 g h z 的i s m ( 即i n d u s t r a l ，s c i e n t i f i c a n dm e d i c a l ) 的免收费免申请的频段上；采用了快调频和短分组的方式，有效的 阻止了信号的衰落以及同频率信号的干扰，既保证了和蓝牙系统相似的其他无线 传输系统的共存，也保证了语音和数据传输的可靠性；采用前向纠错( f e c ) 技 术来抑制长距离链路的随机噪声；时分双工传输方案用来实现全双工传输，以时 隙( 长度为6 2 5 9 s ) 为单位去进行发送接收的切换；一个跳频频率发送一个数据 分组，每个分组占用一个时隙，也可以扩展到5 个时隙。蓝牙技术支持一个异步 数据通道或3 个并发的同步语音通道，或者一个同时传输异步数据和同步语音的 通道。蓝牙的一个比较重要的特点就是蓝牙的组网。 蓝牙最基本的网络组成是微微网( p i c o n e t ) ，同一微微网的单元共享同一个信 道，采用相同的跳频序列。一个微微网必须有而且只有一个主设备( m a s t e r ) ，其 余的为从设备( s l a v e ) 。主单元控制微微网从建立到数据传输到最后通信的结束 的整个过程。主从设备在硬件和软件结构上没有任何差别，主动发起建立连接的 设备为主设备，任何一个蓝牙设备都可以成为主设备。 为了简化网络的控制，蓝牙限定了微微网的设备的数量，同一时间一个微微 网最多有7 个从设备处于活动状态。但处于休眠状态的从设备的数目没有限制。 为了消除限制数目对通信的影响，同时也为了提高频谱资源的利用率，允许同一 个区域内存在多个微微网，而且也允许一个设备基于时分的参加不同的微微网， 这样多个微微网就可以组成了一个散射网。同一个散射网中的所有设备共用一段 频率资源，但每个微微网使用的不同的跳频序列。这样蓝牙技术就可以利用简单 的网络控制技术来实现多对多的通信，但同时也增加了蓝牙设备之间的相互干扰 的可能性。图1 1 给出了蓝牙网络的各种拓扑结构。 第一章绪论 m 疵r0 一a v e v厂、 八 占b 转韬 h u ， o 图1 - l 盔牙网络的拓扑图 其中图1 1 中的a 是一对主从设备的蓝牙网络，b 是一个主设备对多个从设 备的蓝牙网络，c 则是通过多个微微网形成的一个散射网。 1 2 3 蓝牙技术的应用 蓝牙技术能够在短时间内在世界范围内成为标准，其主要原因是在于蓝牙系 统的适应性比较强。它可以让许多电子设备进行无线连接并组网【3 】，进行数据的 传输，如传输文件，语音通讯等。其典型的应用有以下几个方面： 家用无线连网 现代家庭中，有各种形式的电器设备，传统的电缆连接的设备使其之间的通 信失去了相应的灵活性。使用蓝牙技术可以使得这些设备以无线传输的方式连成 一个整体，信息交换更为方便。 移动办公 通过使用统一的蓝牙规范，可以使笔记本电脑、移动电话、p d a 等可以随时 随地的与打印机、数码相机、摄像机等诸多办公设备通信。 个人局域网 蓝牙技术应用于移动电话、家庭以及办公室电话等系统中，就可以实现真正 意义上的个人通信。这种“个人局域网 采用移动电话为信息网关，使各种便携 设备之间交换信息。 移动的电子商务 蓝牙规范的安全特性可以形成一种移动的电子商务支付方案。 1 3 本论文的内容以及结构 在对蓝牙技术以及蓝牙协议的研究分析的基础上，本论文对蓝牙基带中的数 据流处理部分进行了重点的研究。数据流处理部分包含了对要发送的数据进行打 包分组发送或解析接收的数据分组、数据收发的可靠有效的保障措施与方法，通 过对它们进行理论研究，并利用i p 技术用v e r i l o g 硬件描述语言来实现蓝牙基带 占 毒 簸牙基带数据处理荚键技术磁究及v 己s l 实瑗 数据流处理部分。以下是本论文的主要内容： 第二章首先对臻技术傲了相应的介绍，比较详细的介绍了p 设计的流程， 并根据i p 设计流程对蓝牙基带进行模块划分，然后对本论文重点讨论的部分 数据漉模块进行模块划分。 第三章对蓝牙处理的数据分组进行结构上的描述，并详细的介绍了蓝牙处理 的数据分组的各个部分的功能以及作用，并对其用v e r i l o g 硬件描述语言来实现。 第四章主要介绍对蓝牙数据的一些其它处理：错误控制，加密以及自化。首 先对这三个部分进行理论算法的分析，然后用v e r i l o g 硬件描述语言加以实现。 第五章是对全文的总结。 第二鬻| p 技术以及蓝牙萋带模块划分 5 第二章i p 技术以及蓝牙基带模块划分 集成电路m 核设计是s o c 设计的基础。为使所设计的电路结构满足工程实 用他的需要，本章用礤设计方法来进行蓝牙基带和蓝牙基带审的数据处理部分设 计，并将蓝牙基带以及蓝牙基带中的数据处理部分进行了模块划分。 2 1i p 技术的介绍 爵翦，l e 设计出现了设计技术蹑不上工艺技术发展的“设计危机挣。高集成 化引起设计成本和设计周期迅速上升，尤其对s o c 设计，为缩短周期和降低设计 风险和成本，采用l p 复雳设计方法成为? 当前a s i c 设计麓沿技术。在露前的超 深亚微米芯片设计中，以i p 核复用1 7 q l j ( 伊c o r er e u s e ) 技术为支撑的系统芯片 技术是国际超大规模集成电路发展的趋势和二十一世纪集成电路技术的主流。据 i c e ( 集成电路工程公司：i n t e g r a l e dc 承c u i te n g i n e e 褂n g ) 统计，1 9 9 5 年，a s i c 设计中只有约9 的使用i p ，到1 9 9 7 年已上升到2 0 ，到2 0 0 3 年有 8 4 的a s i c 采用基于l p 的设计。p 设计是s o c 设计的基础，发展s o c 需要依 赖于m 设计技术的提升。 举导体产业孛的i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ：知识产权) 定义力用予a s i c ( 专 用集成电路) ，a s s p ( 专用标准产品) 和p l d ( 可编程逻辑器件) 中预先设计好 的电路功能模块。墨翦，l p 模块的集成度规模已经很大了，部分i p 已经达到了 系统级的水平。按照集成电路设计过程，集成电路的设计描述可以分为行为级 ( b e h a v i o r ) 、结构级( s t r u c t u r e ) 和物理级( p h y s i c a l ) 三个层次。相应的i p 也有 软核( s o f ti pc o r e ) 、霹核( f i r mi pc o r e ) 和硬核( h a r di pc o r e ) 三种类型。 一个i p 核是经过批量投片验证的，1 0 0 正确的功能单元，并且还要有比较 好的通用性以及移植性，这样就可以保证其麓很好的集成到其他的s o c 芯片孛 了。软核是可以仿真、综合的硬件描述语言代码或基于某种操作系统的功能实现 程序l 翦者是在s o c 巾可以转换成硬件电路，露麓者翼l 是软件程序，般存放在 存储器中依赖操作系统的运行，并且其不依赖任何实现工麓和实现技术，可以灵 活地加以修改，方便的映射到指定的工艺中去，重用性比较高。固核是带有布局 规划信息的逻辑门网表；在集成到其他的设计中时，可以做些改动，不过要保 证布局布线过程中关键路径的分布参数不会产生时序问题，具有一定的灵活性， 但圆核与工艺的相关性限制了它的使用范围，网表的难读魅又使得竣动后发生时 6 蓝牙基带数据处理关键技术研究及v l s i 实现 序问题时，排除问题的难度增加。硬核则是经特定工艺投片验证的版图文件，可 重用性最低，它相当于单元库，系统设计者不能做任何改动，并且使得嵌入了该 类i p 的s o c 芯片也必须在此工艺下制造，不能使用别的工艺制造，它的灵活性 最低。 2 2i p 设计流程 集成电路i p 设计和开发包含了2 个主要的流程，即口设计和i p 验证。如图 2 1 所示，i p 设计流程包括口功能设计、结构设计、模块设计、可测性设计和版 图设计。婵验证流程包括参考模型的建立、测试平台的搭建以及测试激励生成、 功能验证、时序验证、可测性验证以及版图验证。 功能设计 i 结构设计 i 模块设计 模块划分 r t l 描述 厂一 i 软核i p 综合 r t l 代码l t 固核 j 嗍 布局布线 i 硬核 c 模型 玎) l 行为缀 s y s t e mc 模型 岫l i m 描述 h d l 门级描述 网表 功能验证 j 结构验证 r t l 级功 能验证 形式验证 门级功能验证 可测性验证 时序分析 形式验证 时序分析 i e r c d r c l v s 形式验证 c 模型 验证环境 结构 验证环境 r t l 代码激 励及模拟测 试环境 图2 - 1i p 设计流程 在口设计流程中，功能设计的主要任务是确定i p 的应用范围、基本功能、 可配置功能、接口规范以及应用方式定义。在功能设计过程中需要完成m 规格说 明和i p 行为模型。对应在p 验证流程中，根据功能设计得到的i p 行为模型对疋 进行行为验证，以确保i p 功能以及接口满足应用需求。 根据口的功能定义，设计合适的电路结构实现其功能是m 结构设计阶段的 主要任务。在结构设计过程中，可以对各种结构设计进行分析、论证，包括在性 能和成本上进行相应的折中。该阶段最终得到系统结构设计和电路功能模块划分。 与对应的i p 验证流程交互，保证电路结构设计的可实现性和合理性，并完成疋 中各功能模块的接口以及时序关系定义。在验证流程中，根据结构验证结果，可 第：章p 技术以及蘸牙墓带模块划分 以设计相应的i p 结构仿真模型。该模型一方面可用于分析结构设计的合理性，另 一方面可以作为p 核验证的参考设计。这有利于快速验证，保证设计的准确性。 根据结构设计中模块划分及定义，可以开始各模块r t l 代码、时序约束文件、 练台脚本的编写。编写的设计文档，特别是r t l 代码必须通过代码觏范性检查、 测试覆盖率检查、功能覆盖率检查及性能分析检查，例如：可测性分析、静态时 序分析、功耗分毒蠢等。相应蛉在验证流程中，针对每个设计模块，需设计相痤的 功能验证方法，编写功能测试激励，完成功能仿真验证和时序验证。 i p 模块设计完成质，需要将各子模块集成起来，形成完整的王p 模块，并对 王p 进行电路综合及仿真分析。电路综合过程包括在不同的参考霹上综合，针对在 制造上的可测试性插入扫描链、a t p g 产生相应测试向量，并进行最终的性能分析 等。对应的验证流程包括由行为模型发展来的测试离量对顶层模块进行仿囊测试， 针对i p 模块的可配置选项进行多种配置条件下的一致性测试和测试向量的覆盖 率检验等。 在i p 的设计过程中，合理完备的验证方法及验证平台是保证i p 设计正确性 的基础。主要层次的设计完成震，有必要建立相应层次的参考模型，参考模型主 要用于对系统功能进行验证以及和r t l 模型的对照验证。 2 。3 基于王p 技术的蓝牙基带 可重复使用是臻核最基本的特征之一。敏在将蓝雾基带p 化的过程串，对 其接口进行重新设计。在s o c 内部互连总线上，目前主要有如下几种球接口规 范，m m 公司的c o r e c o n n e e t 、a r m 公司的a m b a 总线、s i l i e o r e 公司的 w i s h b o n e 开发总线以及m i p s 技术公司的s o c i t 和c o r e f r a m 等。鉴于a r m 处理器目前得到了广泛的应用，设计采用了a m b a 总线的a p b 总线作为蓝牙基 带p 的接踊。 按照i p 设计技术的方式，蓝牙系统可以分成如下几个部分【1 7 1 ：蓝牙基带处理 单元、微控制器模块、射频模块以及语音处理模块。其框图如图2 - 2 所示。 l h o s t b 蓝牙基带处理 d 豁模块 i 语音处理单元 心 单元 帆 图2 2 蓝牙系统框图 蓝牙基带处理单元主要完成的是链路的控制、跳频以及基带数据的处理。链 路控制主要控制蓝牙基带处于的工终状态，如查询、查询扫描、寻呼、寻呼扫描 等等；蓝牙跳频部分，实现了蓝牙系统数据发送与接收所需的射频发送和接收的 8 蘸牙基带数据处理关键技术研究及v l s i 实现 频率。而基带数据处理部分，则是要根据蓝牙基带处于的工作信息来对数据进行 帧包装；包括数据的分组、数据的加密加扰、分组头与有效载荷的f e c 处理、 h e c ( 只针对分组头进行处理) 和c r c 处理，同时也包含了接入码的产生与相关。 其结构框图如图2 3 所示。 瞬2 3 蓝牙基带的框图 图2 3 中的a p b i f 是蓝牙基带芯片与a m b a 总线中a p b 总线的接口； c v s d p c m 模块就是蓝牙基带与处理音频芯片( 鲡摩托罗拉的m c l 4 5 8 3 ) 嚣接 口；而r fi f 模块则是蓝牙基带芯片与射频芯片的接口。其它的模块则是蓝牙芯 片内部的功能模块：链路控制( l i n kc o n t r 0 1 ) 模块主要完成链路控制的模块；数 据流处理( d a t a - p a t h ) 模块则是完成对蓝牙基带数据进行帧包装，是蓝牙基带处 理的核心内容；跳频模块则是完成蓝牙芯片的跳频功能，使射频芯片在指定的频 率上进行工作。 数据流处理模块是本论文的工作重点，同时它也是蓝牙基带协议的核心。根 据蓝牙协议，数据流摸块完成如下功麓疆l ： ( 1 ) 用户数据的并串、串并转换； 犯 对用户数据进行c r c 校验码黔产生和检验； ( 3 ) 对有效载荷进行加密、解密； “) 对有效载荷以及分组头进霉亍自化和去白化； ( 5 ) 对有效载荷进行1 3 f e c 、2 3 f e c 、没有f e c 的三种纠错操作，以及对分 组头进行1 3 f e c 操作； ( 6 ) h e c 的产生和校验； ( 7 ) 接入码的产生以及其检测； 根据蓝牙基警数据处理的过程可以将蓝牙基带数据处理模块一一数据流模决 划分为如下模块：数据流控制模块，并串串并转换模块，分组头模块，加密模块， 自化模块，f e c 模块以及c a c 模块。其数据处理使用的是1 m h z 的黠钟使能信 号( 时钟仍然怒a p b 总线中的p c l k 时钟) ；其具体的框图如图2 - 4 所示。 第二章l p 技术以及蓝牙基警模块划分9 与 图2 - 4 蓝牙基带数据流模块的结构框图 其中，a l p模块是对整个基带数据流部分进行控制，协调数据流处理各个ctrl 模块之间工作的；并且负责蓝牙数据各个部分进行拼接以及1 0 比特的分组头信息 的产生，是蓝牙基带数据流处理的核心模块。p sc o n v e r t 是将从发送f i f o 取来的 并行数据串行传输，若分组数据中包含c r c ，则要进行c r c 校验码的产生；同 时将接收到的串行数据转换为并行数据，存入接收f i f o 中，若有c r c 校验的， 烫l j 还进行对c r c 进行校验。e n c r y p t 模块完成的是加密，解密功能，将所发送麴数 据进行按流加密的方式进行加密解密。分组头模块完成的是在发送过程中将 d ec t r l 传输过来的1 0 比特的信息健进行c r c 校验，在接收过程中，则将接收到 的分组头进行c r c 检验，看是否传输错误。白化模块完成的是对除蓝牙数据中的 接入码外的蓝牙数据进行白化去自化的过程。f e c 模块煲| j 是根据传输的蓝牙数据 分组而选择1 3 f e c ，2 3 f e c 的纠错码方式。c a c 模块则是完成接入码的产生和 接入码的检验。 数据发送时，首先在c a c 模块中产生好数据分组的接入码，并且发送出去； 同时在数据流控制模块( d pc t r l ) 中，产生分组头的1 0 比特的信息；当接入码数 据发送完毕后，窜行的发送经过皇纯以及1 7 3 琵c 蜃的分组头数据；当分组头发 送完毕后，根据要发送用户数据载荷大小以及所用的链路类型计算出来有效载荷 头，经过加密、是化以及相应的f e c 类型( 根据不同的数据分组类型来确定) 后， 串行发送出去；躺有效载荷头发送完毕后，串行发送经过加密、白化以及f e c 后 的用户有效数据；当用户有效数据发送完毕，若此时还要求发送c r c 校验码，则 将在p sc o n v e r t 产生的有效载荷c r c 同样经过加密、白化以及f e c 后串行输出。 数据接收时，数据流处理过程与发送过程刚好相反。其过程如下：c a c 模块 去相关接收到的数据，若韬关上，邸检测到c a c ，炎l l 避入分组头的检测；将接收 到的数据先经过去1 3 f e c 操作，去白化过程，进入分组头模块，检测分组头的 正确性，若正确将分组头的信患传到数据流控制模块中去进行下一步的控制；若 分组头不正确，则报一个中断给系统，并且不接收后面的数据；当正确接收到分 10 蓝牙基带数据处理关键技术研究及v l s i 实现 组头，并且也是给本设备的数据，若接收的数据分组没有有效数据载荷则结束数 据的接收；若是f h s 类型的分组数据，p sc o n v e r t 直接将接收到信息保存起来， 若c r c 错误，则重新连接；否则，进入有效载荷的载荷头接收，得到要接收有效 载荷的载荷量，来控制接收有效数据载荷的结束；若有c r c 校验，还要进行c r c 检测，若c r c 校验错误，报中断给系统，若c r c 检测正确，则数据成功的接收。 2 4 小结 本章基于集成电路i p 设计的方法以及流程，给出了蓝牙基带以及蓝牙基带中 数据处理的一种设计实现方法。并将蓝牙基带芯片以及基带芯片中的数据流进行 了模块划分，按照数据处理的过程将各个模块的功能进行了简要的描述。使各个 模块在数据流部分中的作用更明确，更具有整体感，为后文中的分述各个模块打 下基础。 第三章数据分组及其实现 第三章数据分组及其实现 蓝牙系统在空中传输的数据是以数据分组的形式传输的，即将要发送的数据 进行封装之后再发送给其它的蓝牙设备或者将接收到的数据分组解析后传输给本 地蓝牙主机。本章将介绍蓝牙数据分组的各个组成部分以及各组成部分的实现过 程。 3 1 关于蓝牙设备地址( b da d d r ) 的介绍 每一个蓝牙设备都被分配了一个专用的4 8 比特的蓝牙设备地址 ( b d a d d r ) ，该地址符合i e e e s 0 2 标准【l 】。由如下的三个部分组成：l a p 地址 段、u a p 地址段以及n a p 地址段。如图3 1 所示。 l a p 地址段，即蓝牙地址的低2 4 - b i t 部分，u a p 地址段，即蓝牙地址的高 8 - b i t 的地址部分。而n a p 则是蓝牙地址中的1 6 - b i t 的非有效地址部分，具体的 地址结构如下图所示。l a p 和u a p 构成了b da d d r 的有效部分，即整个寻址 空间可达2 “。 2 4 一b i t 苓- d i t 1 6 一b i t l a pu a pn a p l s b 图3 - 1 蓝牙地址的构造 3 2 蓝牙基带的数据分组的一般格式 m s b 在蓝牙数据传输过程中，数据是按分组的形式来进行数据传输的，每一个数 据分组都是由三个部分组成的，即接入码( a c c e s sc o d e ) ，分组头( h e a d e r ) ，以 及有效载荷( p a y l o a d ) ，如图3 2 所示。其中接入码和分组头的长度比较固定t 接入码是7 2 b i t ( 或6 8 - b i t ) ，分组头是5 4 b i t ；而有效数据可以是0 - 2 7 4 5 b i t s 变化。 在蓝牙协议中规定，蓝牙基带的数据发送都是低位先发( 不管是基带自己产生的 数据如接入码和分组头，还是有效载荷都是从低位数据进行传输的) 。 1 2 蓝牙基带数据处理关键技术研究及v l s i 实现 图3 - 2 蓝牙数据的一般格式 3 3 数据流控制器 数据流控制器( d pc t r l ) 是数据流处理部分的核心模块，它控制和协调了其 它各个功能模块的正常工作。为了比较方便的控制数据流，有必要将蓝牙基带所 要发送接收的数据分组重新归类，蓝牙协议对各数据分组的分类以及各种数据分 组的说明见后文3 5 节中的“数据分组中的分组头中的描述。 ( 1 ) 只包含6 8 比特的接入码( c a c ) 的数据分组：i d 数据分组； ( 2 ) 包含7 2 比特的接入码( c a c ) 和5 4 比特的数据分组头( h e a d e r ) 的数据 分组：n u l l ，p o l l 数据分组； ( 3 ) 有效载荷中仅有有效载荷头：数据长度为0 的a u x l 数据分组； ( 4 ) 有效载荷中仅仅没有c r c 校验的：数据长度不为0 的a u x l 数据分组； ( 5 ) 有效载荷中有c r c 校验但没有有效载荷体的a c l 数据分组：数据长度为 o 的d m l ，d h l ，d m 3 ，d h 3 ，d m 5 ，d h 5 等数据分组； ( 6 ) 有效载荷中有c r c 校验且有有效载荷体的a c l 数据分组：数据长度不 为o 的d m l ，d h l ，d m 3 ，d h 3 ，d m 5 ，d h 5 等数据分组； ( 7 ) s c o 数据分组类型：h v l ，h v 2 ，h v 3 等数据分组； ( 8 ) 包括语音有效载荷和数据有效载荷的数据分组：d v 数据分组； ( 9 ) 有效载荷中仅没有载荷头的数据分组：f h s 数据分组。 通过对蓝牙基带要处理的数据分组的重新归类，可以得到组成蓝牙基带处理 的数据分组的几个主要部分，即：接入码( c a c ) 的产生与检测，分组头( h e a d e r ) 的产生与检测，语音数据( s c o ) 的发送与接收，有效载荷头( p a y l o a dh e a d e r ) 的产生和检测，数据有效载荷的发送以及接收，f h s 的有效载荷的接收和发送， 以及c r c 校验码的产生和检测。这样，蓝牙基带芯片处理的所有的数据分组都可 以通过这些部分来完成，仅仅是拼接的顺序不同而已。 因此，为了满足生成和解析蓝牙基带所要处理的数据分组，可以将这些组成 蓝牙基带数据分组的各个部分作为一个状态，去控制后面的功能实现模块去完成 之，从而实现蓝牙基带生成和解析各种数据分组的功能，实现蓝牙基带数据处理 的目的。同时，将数据分组中的各个相对应的部分的接收发送在同一模块中完成， 叭空王8 ：| 咨源的其享从而减少硬件瓷源的使用，但是控制逻辑也会相应的复杂。 第三章数据分组及其实现1 3 从而得到一个控制整个蓝牙数据流处理的状态机，其状态迁移图如图3 3 所示。 图3 - 3 数据流处理的状态迁移图 图3 3 中的状态迁移图省略了状态跳转的条件。初始情况下，状态机处于i d l e 状态；当蓝牙基带处于发送状态时，状态机从i d l e 进入t x ，然后根据各个数据 分组的具体情况而选择跳转相应的状态，例如，发送d v 数据分组，经过如下几 个状态后即可完成：c a ct x ( 接入码的产生) 、h e a d e r ( 分组头的处理) 、 s c o i x ( 语音有效载荷的传输) 、p l o a dh d ( 有效载荷头的发送) 、d a t at x ( 数据有效载荷的传输) 、s e n dc r c ( c r c 校验码的传输) 。这样依次串行发送 即可组成d v 数据分组。在一个发送时隙内，用一个f l a g 标识蓝牙基带发送完一 个数据分组，当蓝牙基带处理完一次数据分组的发送，状态机会重新进入t x 状 态，当该f l a g 为高的时候，是状态机一直保持在t x 状态；当蓝牙基带的发送过 程结束，进入接收过程，状态机从t x 跳到i d l e ，再从i d l e 进入r x 状态，同 时清标识蓝牙基带发送完一次数据分组的f l a g ，这样保证除i d 数据分组之外的其 它数据分组在一次发送时隙中只发送一次。而对i d 数据分组的发送则是在一个 发送使能( 一个脉冲使能) 下进行控制的，当发送完一次d 数据分组后，保持 在t x 状态，当发送i d 数据分组的使能又为高时，发送第二次i d 数据分组( 用 于蓝牙设备的查询以及寻呼的过程中) 。 接收过程和发送过程刚好相反。数据流处理模块先相关接入码，当接入码相 关上之后，接收数据分组的分组头并校验其正确性，若校验正确，则根据分组头 中的信息而选择相应的解析模块进行解析，并产生相应的控制信号。若校验错误， 直接跳回到r x 状态，并保持在r x 状态中，在该时隙中不再迸行数据的接收。 由于蓝牙基带数据处理中的数据加密、数据的白化都是流操作，因此在需要 加密的那部分数据或需要白化的那部分数据时，将加密模块或白化模块的使能信 1 4 蓝牙基带数据处理关键技术研究及v l s i 实现 号打开，使之完成对经过该模块的数据进行加密或解密以及加白化或去白化的操 作。 d pc t r l 模块通过状态机对蓝牙数据处理中的其它功能模块进行有效的控 制，来实现蓝牙数据基带数据处理的过程。 3 4 数据分组中的接入码 3 4 1 接入码的介绍 蓝牙在空中传输的数据是按数据分组的方式来传输的，并且每个数据分组的 发送都是以接入码开始的，若该分组数据中含有分组头，则接入码的长度为 7 2 - b i t ，否则接入码的长度为6 8 - b i t ( 在蓝牙传输的各种分组中，只有i d 包没有 分组头，即只有i d 包的接入码是6 8 b i t ) ；接入码主要用于数据传输时的同步，d c 漂移的补偿以及数据的识别，用于识别微微网信道上交换的所有数据分组。在蓝 牙器件的接收时，通过一个变动的相关器去相关这个接入码【1 ，2 ，1 2 1 ，当相关器相关 上了，就说明该分组数据就是该微微网中传输的数据。 在寻呼和查询过程中也用到接入码。在这种情况下，接入码其本身是作为一 个有意义的信息，此时传输的数据分组中没有分组头以及有效载荷。 接入码是由一个4 - b i t 的引导码，6 4 - b i t 的同步字，以及一个可选的4 - b i t 的尾 码组成，如下图所示： 一 引导码同步字 尾码( o p t i o n a l ) i 一一 ； l s bm s b 图3 - 4 接入码的组成 接入码按照其不同的工作模式又分成为信道接入码( c a c ：c h a n n e la c c e s s c o d e ) ，设备接入码( d a c ：d e v i c ea c c e s sc o d e ) 和查询接入码( i a c ：i n q u i r ya c c e s s c o d e ) 三种。其中，信道接入码标识的是一个微微网，一个微微网信道中传输的 所有分组数据都包含了这个接入码；设备接入码用于特殊的数据传输过程，比如 寻呼和对寻呼的回应时传输的是该设备接入码；对于查询接入码，它有两种形式： 通用的查询接入码( g i a c ) 和专用的查询接入码( d i a c ) ；其中通用的查询接入 码用于查询在范围内的其他蓝牙设备，而专用的查询接入码用于查询在范围内的 一些特定的具有相同特点的蓝牙设备。 引导码是由一个固定的o 1 模式的4 比特序列，便于d c 补偿。但是这个序 第三章数据分组及其实现1 5 列到底是1 0 1 0 还是0 1 0 1 由同步字的最低位的值来决定，如图3 5 所示： 弓l 擎誊萼 鬻歹子 1 0 l ol l s bm s bl s bl s bm s bl s b 圈3 - 5 引导码的选择 同步字是根据蓝牙设备中的l a p 地址( l o w e ra d d r e s sp a r t ) 来构造的；但不 同类型的接入码所用的蓝牙设备的地址也是不同的；对于信道接入码，是由主设 备的蓝牙缝缱中的l a p 推导出来的；遥用查询接入码用的是盍保留的乙世地址 推导出来的，专用查询接入码的同步字则是由指定的l a p 地址推导出来的；而设 备接入码别是剩用被寻呼的设备的l a p 地址来推导出来的。 同步字是个基于( 6 4 ，3 0 ) 的删除分组码，使用一个全长为6 4 小i t 的伪随机 噪声序列p n ( p s e u d o - r a n d o mn o i s e ) 与之按位异或。该删除分组码保证不月的地 址产生的同步字之间有较大的汉明码距，其最小汉明码距为1 4 。而伪随机噪声序 列p n 则增强了接入码的自相关的特性。同步字的构造过程如下： ( 1 ) 生成信息序列。信息序列是由2 4 - b i t 的l a p 附加上6 b i t 的附加码所 产生的。附加码是根据u 心的最高位决定的：当l a p 的最高位为1 时，附加码 为1 1 0 1 0 1 ；当l a p 酶最高位为0 时，附加码为0 0 1 0 1 0 。这样，由l a p 的最离位 和6 - b i t 的附加码又构成了一个长度为7 的b a r k e r 序列，该序列进一步改善了接 入码的相关性。 。 ( 2 )与p n 序列的信息位做部分的按位异或运算( x o r ) 。在步骤( 1 ) 中 产生的信息序列和p n 序列中的p 3 | 一p 6 3 ( p n 序列中的高3 0 - b i t ) 按位进行异或。 ( 3 )生成代码字。将第二疹生成的序列对一个数求模运算，得到的结果与 该序列拼接成代码字。 ( 4 用整个6 4 - b i t 的p n 序列与代码字做按位异或运算，从丽得到同步字。 原始的l a p 和b a r k e r 序列通过这一系列的运算，保证了其作为同步字的一 部分，而且去撵了b c h 码孛豹循环特性。生成同步字酌具体步骤如图3 - 4 所示。 6 蓝牙基带数据处理关键技术研究及v l s i 实现 i f a 2 3 = 0 i f a 2 3 = l i f a 2 3 = 0 i f a 2 3 = 1 瀚3 嗣步孚麓具钵生残过程 为了方便表述，将二进制序列用相应的d