（电力电子与电力传动专业论文）蓝牙技术在耳机中的应用.pdf

湖北_ t 2 业大学硕士学位论文 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 no ft h ew i r e l e s sd a t aa n dv o i c ec o m m u n i c a t i o n i t f o u n das p e c i a lc o n n e c t i o nf o rs t a t i o n a r ya n d m o b i l ed e v i c ec o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n tb a s i n go n1 0 w c o s ts h o r t - r a n g ew i r e l e s sa c c e s s b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s t g r o u pd e f i n e sv a r i o u sa p p l i c a t i o np r o f i l e s ，h e a d s e tp r o f i l ew h i c hs u p p o r tt h ea u d i o t r a n s m i s s i o nh a sb e e nw i d e l yu s e di nb o t ho fs t a t i o n a r yt e l e p h o n e s a n dm o b i l e t e l e p h o n e s ， o nt h eb l u e t o o t ha i r i n t e r f a c e ，l o gp c mf o r m a t ( a - l a wo r 一l a w ) a n dc o n t i n u o u s v a r i a b l es l o p ed e l t am o d u l a t i o n ( c v s d ) c o u l db eu s e d c v s di sg o o da tt r e a t i n gw i t h t h el o s ta n dd 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 l r o rr a t ei su pt of o u rp e r c e n t ， t h es p e e c ht r e a t e dw i t hc v s di sa u d i b l e f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h es y s t e m ，p r o t o c o ls t a c k ，p r o f i l eo fb l u e t o o t h ， a n dc o m p a r e di tw i t ho t h e rw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g yb r i e f l y s e c o n d l y , a n a l y z e d c v s dm o d u l a t i o n ，b e s i d e s ，s i m u l a t e di ta n dc a r r i e do u ti nm a t l a b t h i r d l y ，b r o u g h t f o r w a r do n ea p p r o a c ho fh a r d w a r ea n ds o f t w a r et oi m p l e m e n th e a d s e tb a s e do n r e s e a r c hb l u e t o o t hd e s i g na n dh e a d s e t p r o f i l e t h i sp a p e ra d o p t e db l u e c o r e 0 2 t o f o u n dh e a d s e th a r d w a r ep l a t f o r m t h es y s t e mi n c l u d e dt h r e ep a r t s ：b l u e t o o t hm o d u l e b l u e c o r e 0 2 v o i c ec o d e rd e c o d e lp o w e rs u p p l y , l e d ，b u t t o na n ds oo n c s rs i n g l e c h i ps y s t e mf o c u s e dr fr e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gc e l l ，b a s e b a n dc e l l ，m i c r o p r o c e s s o r a n df l a s he t c s o f t w a r ei n c l u d e dt h ee s t a b l i s h m e n to fl i n kf r o mb o t t o ms t a c ku pt o h i g h e rl a y e r s ( a c ll 2 c a p , r f c o m m ) a n da p p l i c a t i o nf l o wc h a r t i n t h i sw a y , a l l p r o t o c o l sw a sd o w n l o a d e di n t or a m w h i c hw a si n s i d et h ek e r n e l ，a n da p p l i c a t i o nw a s d o w n l o a d e di n t of l a s hw h i c hw a so u t s i d et h ek e r n e l f i n a l l y , t h eb l u e t o o t hh e a d s e ti s r e a l i z e db yt h ec s rd e v e l o p m e n tk i t k e y w o r d s ：b l u e t o o t h ，p r o t o c o l ，p r o f i l e ，h e a d s e t ， c v s d 佩 l 亡工萋欠港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究i 作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：么迸罐日期：a l f 车f 月彳日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分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和汇编本学位论文。 学位论文作者签名 咀搬：r 6 辱5 晚 么，五料 1 7 日 艚撕鲐铆以 日期：。年歹月、妒日 湖北工业大学硕士学位论文 i i 第1 章引言 1 1 蓝牙技术的发展现状 随着计算机网络和移动通信技术的迅猛发展，人们越来越迫切需要发展一定 范围内的无线数据与浯音通信。j 下是在这种大环境下，以爱立信为首，由五家i t 界巨人e r i c s s o n ，t o s h i b a ，i b m ，i n t e l 和n o k i a 于1 9 9 8 年5 月成立s i g ，共同 提出了一种全球范围内通用的近距离无线接入标准，就是蓝牙( b 1 u e t o o t h ) 技术。 摩托罗拉、朗讯、3 c 0 1 、微软迅速加盟与5 个创盟公司成为s i g 的9 个倡导发起 者。到目前为i j 二，已经有2 0 0 0 多家公司和机构宣布加入s 1 6 ，其中包括许多世界 著名的计算机、通信、家电业j 一商以及汽车、照相机制造商“1 。2 0 0 1 年3 月蓝牙 s 1 6 发布了蓝牙协议v 1 1 版，解决了蓝牙产品的互操作性问题，标志着蓝牙技术 已经趋向于成熟。2 0 0 3 年1 1 月，s i g 对外公布了蓝牙1 2 版本的标准，柏对于1 1 而言，主要加入适应性跳频技术和快速连接，主要的功能是用来减少蓝牙产品与其 它无线通汛装置之间所产生的干扰问题，缩短重新搜索与再连接的时问，使连结 的过程更为稳定、更快速，使蓝牙产品在使用上更为稳定。2 0 0 5 年3 月1 目， b u e t o o t hs i g 宣布采用蓝牙核心规范2 0 版本及更高数据传输速率( e d r ) ，新规 范使其数据传输速率提高2 倍，并降低了功耗，从而延长电池的使用时间。由于 带宽增加，新规范提高了设备同时进行多项任务处理、或同时连接多个蓝牙设备 的能力，并使传输范围可达1 0 0 米，最高速率达到1 0 m b p s 。预计今后还会不断推 出更新的版本。 围绕蓝牙技术而诞生的产品在日常生活中最为常见的莫过于蓝牙适配器及蓝 牙耳机，其实，每一个领域的涉足，都可体现蓝牙技术的先进性、便捷性及替代 有线设备的发展趋势。纵观国内外的蓝牙设备生产厂商，也可谓是百家争鸣，然 而最负盛名的，莫过于从制造听觉设备起家的丹麦捷波朗( j a b r a ) 公司，该公司自 创建起便一直致力于移动通讯产品周边配件的研发，其公司设计生产的蓝牙耳机 占据着丈部分的市场份额。 国内对蓝牙技术的研究起步较晚，高校、科研单位、企业在1 9 9 9 年以后才对 蓝牙进行了较多的关注和跟踪。目前国内企业对丁蓝牙技术人部分还处于观望态 度，部分高校、科研单位和企业对蓝牙技术进行了跟踪和研究，如清华大学、北 京邮电大学、东南大学等等，但大多还处于应用研发的初期，刈蓝牙协议进行研 湖北工业大学硕士学位论文 究的很少，从整体情况看来，目前我国对蓝牙技术的研究与幽外相比还有很人距 离。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己应运 而生，困家科技部也将监牙技术的研究与应用列入“8 6 3 ”计划。 1 2 蓝牙与其它短距离无线通信技术 作为近距离的无线通信技术，蓝牙技术并不是唯一的。除蓝牙技术外，其它 较为成功的短距离无线通信技术还有红外( i n f r a r e dr e d ) 、i e e e 8 0 2 1 1 b 无线局 域网技术和h o l n e r f 家用无线局域网技术。蓝牙、i e e e 8 0 2 1 j b 和h o m e r f 工作在同 一频段，它们之间存在一定的竞争和相互影响。以下针对它们的特点分别进行比 较。 1 2 1 红外通信技术 红外通信技术是由红外线数据协会( i r d a ) 推出的短距离通信标准。它通过波 长为8 5 0 n m 的红外光传输数据，常用的通信距离为1 3 m ，传输速率较高，最高可 达1 6 m b p s 。使用红外技术的优点很多，如实现和操作都相对简单、价格低廉、体 积小、辐射小、安全性好、几乎无干扰等：但同时红外线技术也具有一定的局限 性，比如它仅适用于两台设备之间一对一的连接、发射角度不能达到全方位有效， 接受最大角度只有1 2 0 度，要求有一定的指向性和不可遮蔽性，并受传输媒质本 身的限制，更重要的一点是红外线技术目前在全球范围内还没有一个统一的标准。 相比之下，蓝牙技术却能实现一台设备与多台设备的相互连接，在多台设备之间 存在障碍情况下同样可以进行无线通信。蓝牙工作在2 4 g h z 全球自由频段内可以 保证所有网络设备自由连通，在全球范围内所有蓝牙设备标准统一”1 。 1 2 _ 2i e e f 3 0 2 1 1 无线局域网技术 1 e e e 8 0 2 1 1 是电气电子工程师协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e 1 e c t r o n i c se n g i 1 e e r s ，i e e e ) 8 0 2 工作组制定的无线局域网( w l a n ) 标准，主要 用于实现小范围内的移动组网和无线接入。8 0 2 1 1 b 工作在与蓝牙一样的2 4 g h z i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n c ea n dm e d ic i f i e ) 频带。8 0 2 b 只支持数据传输，最初 是以支持在大1 ：作区内实现无线漫游为目的开发的。传输距离最高可达3 0 0 m ，具 有很好的可靠性，传输速率最高可达1 1 m b p s 。8 0 2 h 的传输速率和安全性比蓝 牙要高诩：多，在局域网的无线接入应用方面具有一定的优势，但它对语音支持十 分有限，只支持数据传输，它的最主要的应用是实现高质量的数据网络，在体积、 湖北工业大学硕士学位论文 功耗和成本上也无法。j 蓝牙相比。 1 2 3h o m e r f 家用无线局域网技术 h o m e r f 丰要针对家庭无线局域网，同时支持数据和语音通信。它在2 4 g h z 频 带扩展频谱上以5 0 跳每秒的速率跳频，最大功：簪为1 0 0 m w ，有效范幽约为5 0 m ， 传输速率为1 m b p s 或2 m b p s ，h o m e r f 除了提供良好的服务质量外，简单、保密、 易用是它很显著的特点。当h o m e r f 技术采用p c m c a 卡的形式实现时，其成本虽 然比8 0 2 1 l b 相对要低，但是还是无法与蓝牙相比。 与上面的技术相比，蓝牙技术中的跳频更快，因而更加稳定，同时它还具有 低功耗、低代价和比较灵活等特点“”。总的来讲，这些技术都是根据不同的使用 场合以及不同的用户需求而制定的，因此造成了它们各有自己的市场。其中， i e e e 8 0 2 1 1 b 比较适合于办公室中的企业无线网络，h o m e r f 可应用于家庭中的移 动数据和语音设备与主机之间的通信，红外技术应用于传输速率高、使用次数少、 移动范同不太大的场合，而蓝牙技术则可以应用于任何可以用无线方式替代线缆 的场合。目前，这些近距离无线技术还处于并存状态中，用户应视实际需求选择 适合自己的标准，以局部最优来实现全局最优。从长远来看，随着产品与市场的 不断发展，它们将走向融合。 1 3 蓝牙技术的主要应用 b l u e t o o t h 的目标是在一定范围内的移动设备、各种信息传输设备乃至于各种 电器设备之间建立起无线链接。1 ，蓝牙技术作为一种短距离、低功耗的无线数据与 语音通信的开放性技术规范，虽然采用的不是当前该领域最先进的技术，但它的 目标是全球通用、价格低廉、结构紧凑，所以目前是以无线接口的方式取代现有 的p c 、打印机、传真机等设备上的连接电缆，提供低成本、低功耗、近距离的无 线通信，构成固定和移动设备环境中的个人区域通信网络，使近距离的各种信息 设备能够实现无缝资源共享。利用蓝牙技术能够有效的简化掌上电脑，笔记本电 脑和移动通信电话手机等移动通信终端设备之间的通信，也能成功的简化以上这 些设备与因特网之间的通信，使这些现代通信设备与因特网之问的数据传输变得 更加迅速高效，为无线通信拓宽道路”，。 1 4 本文主要研究工作 在蓝牙无线通信中，凡是支持语音功能的应用都推崇头戴式耳机，它在固定 湖北工业大学硕士学位论文 电话和移动通信中都得到了广泛的应用。蓝牙耳机提供了一个安全、h a n d f r e e 的 途径束发送和接收呼叫并进行语音传输。尤其当用户不方便手持手机的时候，这 种方式显得尤为便利。蓝牙耳机的使用者可以在能保持连接的范团内自山移动， 而不必和音频设备绑在起。而且用户可以将i j 一个耳机用于多种设备，因为蓝 牙规范提供了一个标准的接r ，所以用于电话通信的耳机也同样r 叮以用来与同定 的语音接入点如无绳电话皋站进行通信，此外耳机还可以完成与计算机的音频交 互。 本论文的主要工作是在分析研究蓝牙通信技术协议规范12 版本( 下称“蓝 牙规范”) 的基础上，根据蓝牙耳机所要完成的功能，实现蓝牙上层协议栈功能， 在h e a d s e t 和语音网关之间建立蓝牙通信链路并实现高层的应用，对蓝彳：耳机采用 的c v s d 编码进行仿真。本系统利用英国c s r ( c a m b r i d g es i l i c o nr a d i o ) 公司的蓝 牙芯片b 1 u e c o r e 2 一e x t e r n a l 和金欧蓝牙硬件平台来进行开发的。 本论文共六章，具体安排如下： 第一章是绪论，对论文进行总的概括，并对蓝牙和其它短距离无线传输技术 进行比较。 第二章介绍蓝牙技术及其协议规范，包括蓝牙系统的各部分组成、协议栈结 构和应用模型体系。 第三章详细介绍蓝牙语音编解码原理，并对c v s d 编码进行仿真。 第四章介绍蓝牙耳机硬件的实现方法以及各个模块的功能。 第五章分析蓝牙耳机应用模型，讨论模型中定义的链路的建立的过程、语音 链路的建立与释放、音量的控制等，在此基础上给出蓝牙耳机应用软件的设计流 程。 第六章对论文进行总结。 4 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章蓝牙技术及其协议分析 2 1 蓝牙技术概述 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的= h = 放性全球规范，它以低成本的近距 离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其实质内容 是要建立通用的无线电空中接口( r a d i 0a i ri n t e r f a c e ) 及其控制软件的公开扔； 准，使通信和计算机进一步结合，使不同j 家生产的便携式设各在没有电缆相互 连接的情况下，能在近距离范围内具有互用、互操作( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 的性 能“。 蓝牙的载频选用在全球都可用的2 4 g h zi s m 频带，在大多数国家为2 4 0 0 - - 2 4 8 3 5 l h z ，使用7 9 个频道，间隔均为1 m t l z ；在低频端留有2 h z 的保护带，在高 频端留有3 5 m h z 的保护带。其收发信机采用跳频技术( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a d s p e c t r u m ) ，在2 4 g h zi s m 频带上以1 6 0 0 跳秒的速率进行跳频。同时采用时 分双工( t d d ，t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 方式实现全双工传输。调制方式采用 g f s k ( g a u s s i a n f i l t e r e df r e q u e n c ys h i f tk e y i n g 高斯滤波频移键控) ，b t - o 5 ， 正频偏表示“1 ”，负频偏表示“0 ”。最大发射功率分为三个等级，分别是：l o o m w ( 2 0 d b m ) ，2 5 m w ( 4 d b m ) 和i m w ( o d b m ) ，在4 2 0 d b m 范围内要求采用功率控制，蓝 牙考虑的最大通信距离大约为1 0 0 米。蓝牙技术支持一个异步数据通道，或3 个 并发的同步话音通道，或一个同时传送异步数据和同步话音的通道，每一个话音 通道支持6 4 k b p s 的同步话音；语音编码采用对数p c m 或连续可变斜率增量调制 ( 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 i l ) ，语音和数据可单独或 同时传输；异步通道支持最大速率7 2 1 k b p s 、反向应答速率为5 7 6 k b p s 的非对称 连接，或者是4 3 2 6 k b p s 的对称连接。数据包在某个载频上的某个时隙内传递， 不同类型的数据( 包括链路管理和控制消息) 占用不同信道，并通过查询( i n q u i r y ) 和寻呼( p a g i n g ) 过程来同步跳频频率和不同蓝牙设备的时钟。除采用跳频扩谱 的低功率传输外，蓝牙还采用鉴权和加密等措施来提高通信的安全性“3 。 蓝牙支持点到点和点到多点的连接，可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一 个微微刚( p i c o n e t ) ，多个微微网又可互：连成特殊分散网，形成灵活的多重微微 网的拓扑结构，从而实现各类设备之问的快速通信。它能在一个微微网内寻址8 个 设备( 实际上互联的设备数量是没有限制的，只刁i 过在同一时刻只能激活8 个， 湖北工业大学硕士学位论文 其中1 个为主，7 个为从) 。 蓝牙技术涉及一系列软硬件技术、方法和理论，包括无线通信与网络技术， 软件工程、软件可靠性理论，协议的正确性验怔、嵌入式实时操作系统( e m b e d d e d r t o s ) ，跨平台丌发和用户界面图形化技术，软硬件接l i 技术( 如1 s 2 3 2 ，u a r t ，u s b 等) ，高集成、低功耗芯片技术”。 蓝牙的目标足：在所有移动设备之间以及任何小范围的各种信息传输设备、 各种电器设备之问建立起无线连接。随着通信技术的f i 新月异，网络正逐渐走向 宽带化、智能化和个人化，而现有p c 的使用却受到越来越多的限制，严重阻碍了 更多人走进i n t e r n e t 获取信息，而蓝牙标准f 是帮助人们实现随时随地无线接入 网络的最后1 0 米的新兴技术。 这一章，从蓝牙协议的分层结构，设各的系统组成，应用模型等几方面来介 绍一下蓝牙技术。 2 2 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，诸如基带协议、逻辑链路控制与适配协议等”； 应用框架指出了如何应用这些协议实现具体的应用产品。 蓝牙规范的核心部分就是协议栈”。这个协议栈允许设备定位、互相连接并 彼此交换数据，从而在蓝牙设备之问实现互操作性的交互式应用。蓝牙的通信协 议也采用分层结构，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( o o s ) 、协议的复用和分用等 功能。蓝牙体系结构如图1 。 此体系协议结构按功能可分为四层： 核心协议：l m p 、l 2 c a p 、s d p ： 电缆替代协议r f c o m m ： 电话传送控制协 义：t c sb i n a r y 、a t 命令集； 可选协议：p p p 、u d p t c p i p 、o b e x 、w a p 、v c a r d 、v c a 、l r d a 、w a e ； 湖北工业大学硕士学位论文 图1 蓝牙协议体系结构 除了上述协议层外，蓝牙协议还规定了主机控制接口( h c i ) ，它为基带控制 器、连接控制器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口，在蓝牙设备的主机和基 带模块之间提供了一个通用接口。在蓝牙协议栈中，不是所有的应用邦必须使用 全部协议，可以只采用部分纵向协议，利用特殊的服务来支持主要应用。协议还 可以有其它的相互关系，在某些应用中这种关系是有变化的。例如，如需控制链 路管理器时，可使用逻辑链路控制应用协议、二元电话控制规范或链路管理协议 【舯 o 蓝牙核心协议是蓝牙技术标准所特有的协议，由s i g 开发制定。所有的蓝牙 设备都必须支持核心协议以及蓝牙无线接口。 下面具体解释协议的作用与功能： ( 1 ) 射频( b 1 u e t o o t hr a d i oa n da n t e n n a ) 。它足蓝牙的无线接口层。这 个无线接口层的射频系统是跳频系统，是蓝牙设备中负责传送和接收调制无线电 信号的收发器”“。 ( 2 ) 基带( b a s e b a n d ) 。蓝牙基带部分为用户提供信息保密机制，包括鉴权 和加密。基带协议还提供面向连接( s c o ) 业务和无连接( a c l ) 两种不同类型的 物理链路。a c l 即在物理信道卜传输数据的异步无连接( a s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o nl e s s ) 物理链路。a c l 链路在主单元( m a s t e r ) 和所有其它从单元 湖北工业大学硕士学位论文 ( s 1 a v e ) 之叫提供分组交换连接。s c o 即同步连接( s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o no r i e n t e d ) 物理链路，属于电路交换连接，主要用于语音传输。面向 连接的语音分纽只需要经过基带传输，而不达到l 2 c a p ，语音模式存蓝牙系统内相 对较简单，只需要丌通语音连接就可传输浯音”。 ( 3 ) 链路管理协议( l m p ) 。负责蓝牙各设备问链路的建立和控制，它还通过鉴 权和加密，来产生、交换、检查链路和加密密钥以保证安全性。l m p 还控制蓝牙主 从设备单元的工作模式( p a r k h o l d s n i f f 等模式) 和工作周期，以及微微网内蓝 牙单元的连接状态”3 。 ( 4 ) 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 。采用了多路技术、分割和重组技术等， 它负责识别高层协议，把高层协议拆分成小数据包传给低层，把低层小数据包重 新组合传给高层。l 2 c a p 允许高层协议和应用程序收发长度最高可达6 4 k b 的 l 2 c a p 数据包。从某种意义上说，l 2 c a p 相当于o s i 第二层即链路层的协议。虽然 基带支持a c l 和s c o 两种传输方式，但是位于基带之上的l 2 c a p 只支持a c l 链路， 也就是说高层应用必须基于a c l 而不是s c o 链路”“。 ( 5 ) 串口仿真协议( r f c o m m ) 。可在l 2 c a p 之上仿真r s 2 3 2 串口电路，因 此它实际上是一种电缆替代协议。通过r f c o m m 蓝牙可以在无线环境下实现对高层 协议的支持”1 。 ( 6 ) 服务发现协议( s d p ，s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c 0 1 ) 。作用是查询潜在 的蓝牙设备及其服务类型，并在查询之后建立两个或多个蓝牙设备间的连接。s d p 支持3 种查询方式：按业务类别搜寻、按业务属性搜寻和业务浏览( b r o w s i n g ) 。 只有通过s d p 了解通信双方的设备信息、业务类型、业务特征，然后才能在蓝牙 设备之间建立通信连接哺1 。 选用的协议 选用协议是根据具体应用选择采纳的现有高层协议。蓝牙协议保证蓝牙技术 能够与现有协议的融合以及各种应用之问的互通性，充分利用了嵌入蓝牙技术的 软硬件系统资源。蓝牙选用协议包括点对点协议( p p p ，p o i n t t o p o i n tp r o t o c 0 1 ) 、 t c p u d p i p 、对象交换协议( o b e x ，o b j e c te x c h a n g ep r o t o c 0 1 ) 和无线应用协 议( w a p ，w i r ea p p l i c a t i o np r o t o c 0 1 ) 等。 2 3 蓝牙应用模型 应用模型( p r o f i l c ) 是为蓝牙垓心汾议的各种应用提供解决方案，是不同厂 商生产的蓝牙设备之间能够互通的基础。每个应用模型都要通过相应协议层的组 湖北x - 业大学硕士学位论文 合才能完成其功能，每个蓝牙设备都支持一种或多种应用模型。任何一种蓝牙j 衄 用必须符合应用模型的规定，以实现与不同厂商生产的蓝牙蹬备之间的互通性。 2 4 蓝牙系统组成 蓝牙系统一般由以下功能单元组成：无线射频单元、基带控制单、链路管 理单元和软件功能单元组成”“。蓝牙系统结构如图2 所示。 2 4 1 无线射频单元 图2 蓝牙系统结构图 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”，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，因此它是任何蓝牙设备的核心，蓝牙射频规范规定了蓝牙射频频 段、调制方式、调频频率、发射功率、接收机灵敏度等参数。无线射频单元包含 有天线控制开关、中频振荡、中频滤波、压空振荡器、频率合成器以及调制解调 器等电路，完成信息的跳频扩频与解扩功能。无线收发器芯片是蓝牙芯片的部 分，其价格、体积、功耗都是决定蓝牙技术能否得到更广泛应用的重要指标。蓝 牙系统采用全向天线，支持点到多点的通信，使得多台蓝牙设备可以分享网络资 源；支持终端的移动性，更容易查询和发现设备。信号传输不受视距的影响，易 于组网。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 设备发射功率为i o o m w ( 2 0 d g m ) ；2 级功率的蓝牙设备发射功率为2 5 r o w ( 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 ) 。蓝牙使用跳频扩频技术去避免工作频段 受到来自微波炉和无线局域网设备等的干扰。 2 4 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 基带协议和其它一些低层常规协议，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 湖北工业大学硕士学位论文 蓝牙没备有两种状态：连接和待机。微微网建立之前，所有蓝牙没备均处于 待机状态，一眵发现周围有蓝牙设备，就执行初始化过摆，这时它和将要建立连 接的蓝牙设备之问的通信过程是查渤和寻呼的模式。就是晚，一个设备发现另一 个设备时，先向这个设备发送一个查洵命令( i n q u i r y ) ，以获得另个设备的地址； 知道了地址之后就执行寻呼( p a g e ) 命令，习呼的目的是唤醒另一个蓝爿设备并在 它们之问建立微微网。 在微微网中，无数据传输的设备转入节能工作状态。主设备可将从设备设置 为保持方式( h o l dm o d e ) ，此时，只有内部定时器工作；从设备也可以要求转入保 持方式。设备由保持方式转出后，可以立即恢复数据传输。监听方式( s n i f f m o d e ) 和体眠方式( p a r km o d e ) 是另外两种低功耗工作方式。在监听方式下，从设备监 听网络的时问蒯隔增大，其i q 隔大小视应用情况由编程确定；在休眠方式下，设 备放弃了m a c 地址，仅偶尔监听网络同步信息和检查j 。播信息。各节能方式依电 源效率高低排列为：休眠方式一保持方式一监听方式。 2 差错控制 蓝牙频段的丌放性使得使用这一频段的设备很多，这样室内无线通信的干扰 环境很复杂，为提高通信的可靠性，降低误码率，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 o ) 。采用f e c 编码的目的 是减少数据重发的次数，降低数据传输负载。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。在无编号的a r q 方案中，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得 到收到的确认。只有数据在收端通过了报头错误检测和循环冗余检测后认为无错 后才向发端回确认消息，否则，则返回一个错误消息。 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，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。监牙安全机制的目的在】i 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。 由于蓝牙耳机没有人机接口，因为耳机在生产的时候载入了个尉定的p i n 。 在初始化阶段，用户从手机菜单中选取初始化耳机的命令，随后耳机将自动发现 湖北工业大学硕士学位论文 手机并建立连接。此时用尸。必须输入耳机的p 州。如果输入的p i n 正确，则建立连 接：否则不能建萨连接。如果用户不想让每个人都与耳机建立通信，那么可以通 过软件要求使用耳机必须通过鉴权。 2 4 3 链路管理单元 链路管理器( i 。m ) 软件实现链路的建立、认证及链路配置等。实际上，链路管 理单元是通过蓝牙链路管理协议( l i n km a n a g e rp r o t o c o l ，l m p ) 在运行相| 司的链 路管理软件的蓝牙设备之间管理它们的通信的。链路管理的软件模块携带了链路 的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其它一些协议。链路管理模块能够提供如下 服务：发送和接收数据；请求名称，能有效的查询和报告名称或者长度最大可达 1 6 位的设备i d ；链路地址查询；建立连接；鉴权；链路模式协商和建立，比如数 据模式或者话音数据模式；决定帧的类型；将设备设为监听模式、保持模式或者 休眠模式。 2 4 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。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它蓝牙设备的能力，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而不是再去开发新的规范。设各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 别其它设备；取代电缆连接；与外围设备的通信；音频通信与呼叫控制等。 蓝牙的高层协议栈通常设计成一个软件部分，运行在丰机设备上。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。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u ，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 m ) 的概念，在操作系统和协议之闻设计了一个v m 接口，把蓝牙协议栈直接用到很多 湖北工业大学硕士学位论文 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m 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 和没备的互操作性。为了实现硬件的独立性，蓝牙协议栈在h c t 层以下附加j ，一 个串行接l j 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，篮牙协议栈提供，蓝二j ：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集成进最新的监牙协议栈。 湖北_ t - 业大学硕士学位论文 第3 章蓝牙语音传输及其仿真 3 1 蓝牙的语音传输 蓝牙话音需要加密解密，同时为了在噪声信道中传输语音，也宜采用数字形 式，基带只能处理数字信号，因此要把语音信号的模拟信号转换成数字信号爿能 被传入基带进行传输，所以蓝牙语音采用了数字编码技术。常规的模数转换进行 语音编码，比特率太高，为了降低传输和存储成本，浯音编码通常采用压缩技术 “”“。蓝牙的空中接口，可以使用6 4 k b p s 的对数p c m ( 脉冲编码调制) 语音编码， 也可以使用6 4 k b p s 的c v s d ( 连续可变斜率增量调制) 编码。其中c v s d 使用了具 有音节压缩的自适应增量调制算法。”。语音信道采用哪一种编码方式取决于具体 的应用，通信双方通过链路管理器协商确定使用的语音编码方案。 1 p c m p c m 是把模拟信号转换为数字信号的+ 种调制方式，把连续输入的模拟信号变 换为在时域和振幅上都离散的量，然后将其转化为二进制码形式传输。p c m 分为抽 样、量化和编码三个步骤，是种很通用的编码技术，大多数的语音传输都采用 这种编码技术或基于p c m 的一些改进技术。蓝牙空中接口语音信道能够支持6 4 k b p s 电信级语音质量的音频流。使用p c m 编码方案时，可以同时支持a 率和p 率的对 数编码。p 率法则压缩在北美和日本使用广泛，而a 率法则压缩在欧洲、世界其 它地区和国际路由被普遍采用。有时蓝牙线路接口上使用的是a 率，而在空中接 口使用的是u 率，此时就需要一个a 率和p 率之间的转换。 2 c v s d c v s d 是采用0 或l 的序列来代表一个模拟语音信号曲线的斜率变化，这样， 在相同的带宽下和p c m 中使用的8 位采样长度相比就能传送更多的样本。在c v s d 编码中，模拟的输入值与一个参照值相比较，如果输入值大于参照值，就用个 一| 进制的1 来编码；如果输入值小于参照值，就用一个二进制的0 来编码。恢复 信号的保真度高低取决于采样的速度，采样的速度要快，这样才能使数字序列比 较忠实的再现模拟信号。大部分的c v s d 对输入信号按每秒8 k 或 6 k 的速率采样， 形成一个8 k b p s 或1 6 k b p s 的数据传输速率，用来代表数字化的语音信弓。c v s d 具有很强的容错性，它擅长处理丢失和被损坏的语音采样，即使误码率达到4 ， c v s d 编码的语音还是可听的，蓝牙系统也i f 是基于c v s d 的可靠性而选择它作为一 1 3 湖北工业大学硕士学位论文 种语音编码的方法”1 。 3 。2c v s d 的工作原理 c v s d 是一种量阶6 随着输入语音信号平均斜率大小而连续变化的增量调制方 式。它的工作原理是：用多个连续t 叮变斜率的线段来逼近语音信号，当线段斜率 为l f 时，对应的数字编码为l ；当线段斜率为负时，对应的数字编码为0 ，如果c v s d 调制器的输出连续出现三个相同的值，量化阶就加上一个大的增量，反之，就加 一个小的增量。“。如图3 ： 模 拟 信 了 输 入 幅 度 图3c v s d 编码原理图 从图中可以看到，在开始阶段增量调制器的输出不能保持跟踪输入信号的快 速变化，这种现象就称为增量调制器的“斜率过载”( s 1 0 p eo v e r l o a d ) 。一般来 说，当输入信号的变化速度超过反馈回路输出信号的最大变化速度时，就会出现 斜率过载。之所以会出现这种现象，主要是反馈回路输出信号的最大变化速率受 到量化阶大小的限制，因为量化阶的大小是固定的。还可以看到，在输入信号缓 慢变化部分，即输入信号与预测信号的差值接近零的区域，增量凋制器的输出出 现随机交变的“o ”和“1 ”。这种现象称为增量调制器的粒状噪声( g r a n u l a r n o i s e ) ，这种噪声是不可能消除的。 当c v s d 工作于编码方式时，其系统框图如图4 所示。 湖北工业大学硕士学位论文 图4 编码方式下的c v s d 系统图 语音信号f ，。( t ) 经采样得到数字信号f ( n ) ，数字信号f ( n ) 与积分器输出信号 g ( n ) 比较后输出偏差信号e ( n ) ，偏差信号经判决后输出数字编码y ( n ) ，同时该信 号作为积分器输出斜率的极性控制信号和积分器输出斜率大小逻辑的输入信号。 在每个时钟周期内，若语音信号大于积分器输出信号，则判决输出为l ，积分器输 出上升一个量阶6 ；若语音信号小于积分器输出信号，则判决输出为0 ，积分器输 出下降一个量阶6 。 当c v s d 工作于译码方式时，其系统框图如图5 所示。 图5 译码方式下的c v s d 系统图 在每个时钟周期内，数字编码y ( n ) 被送到连码检测器，然后送到斜率幅度控 制电路以控制积分器输出斜率的大小。若数字编码y ( n ) 输入为1 ，则积分器的输 出上升一个量阶6 ；若数字输入为0 ，则积分器的输出下降一个量阶6 ，这相当于 编码过程的逆过程。积分器的输出通过低通滤波器平滑滤波后得输出信号l 。，( t ) ， 将重现输入语音信号。 可见输入信号的波形上升越快，输出的连“l ”码就越多，同样下降越快，连 “0 ”码越多，c v s d 编码能够很好地反映输入信号的斜率大小。为使积分器的输出 能够更好地逼近输入语音信号，量阶6 随着输入信号斜率大小而变化，当信号斜 率绝对值很大，编码出现三个或四个连“l ”或连0 码时，则量阶6 加一个增 量60 ，当不出现上述码型时，量阶则相应地减少，但决不低于正最小量阶6m i n 。 当量阶达到这个最小值后，整个系统退化成l d m 编码器，只有对输入的自适应使 量阶重新又增加后，整个系统又变成为自适应增量调制编码器。 湖北工业大学硕士学位论文 3 3c v s d 实现算法 1 c v s d