（电路与系统专业论文）嵌入式蓝牙系统中的基带ip实现技术研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 摘要 y5 8 5 9 9 3 蓝牙技术是一种低成本、低功耗、短距离的无线连接技术。在后p c 时代，嵌入式设备的网络化是一大趋势，一方面由于嵌入式设各自身体积 的限制，使得嵌入式设备所连接的网络要从有线网络向无线网络的方向发 展，另一方面嵌入式设备对网络访问的成本和功耗要求都非常严格，因此 嵌入式系统与蓝牙技术的结合有着巨大的发展前景。 基带层协议是蓝牙系统的底层核心协议，本文在概括介绍蓝牙技术标 准、蓝牙协议架构、应用模式、实现和发展的基础上，对蓝牙基带核心协 议进行了深入研究。通过对蓝牙硬件模块的划分和功能分析，给出了蓝牙 基带i p 模块实现结构和数据处理路径，并用v h d l 描述语言设计了蓝矛 基带7 9 跳频算法。e d a 仿真结果表明该算法能较好的满足设计目标与要 求。本文同时还较详细地论述了蓝牙基带数据分组的处理流程，对其中的 关键算法给出实现算法流程图。最后用v h d l 设计了蓝牙基带数据分组的 发送和接收模块，该模块内部集成了1 6 位c r c ( 循环冗余度校验) ，8 位 h e c ( 头错误校验) 和1 3 率f e c ( 前向纠错) 的实现。仿真结果证明满 足了设计要求。 本论文用v h d l 语言实现了嵌入式蓝牙系统的部分功能，提供了硬件 实现相应功能专用处理器的基础。仿真结果验证了设计的正确性和可行性。 论文所研究内容适应当前科学技术的发展和更新，除了具有重要的理论和 实践意义，还具有较大的商业价值。 关键词： 蓝牙，基带，跳频，v h d l ，i p ，分组，c r c 来墨作者、导师消息 勿全文公布 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t b l u e t o o t h t e c h n o l o g y i sa l o w c o s t ，l o w p o w e r ，s h o r t r a n g e w i r e l e s s c o n n e c t i v i t ys o l u t i o n i na ne r ao fp o s t p c ，t h ei m p o r t a n tt r e n di st oc o n n e c tt h e e m b e d d e dd e v i c e so n t ot h en e t w o r k o no n eh a n d ，b e c a u s eo ft h er e s t r i c t i o no n t h eb u l ko ft h ee m b e d d e dd e v i c e s ，t h en e t w o r ko nw h i c he m b e d d e dd e v i c e sa r e c o n n e c t e dm u s tc h a n g ef r o mt h ew i r e dn e t w o r kt ot h ew i r e l e s sn e t w o r k o nt h e o t h e rh a n d ，t h ee s s e n t i a lr e q u i r e m e n t so fe m b e d d e dd e v i c e sa r el o wc o s ta n d l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，s oh o wt oc o m b i n et h ee m b e d d e d s y s t e m sw i t h b l u e t o o t ht e c h n o l o g yi sc u r r e n t l yi n v e s t i g a t e di n t e n s i v e l y b a s e b a n dp r o t o c o li st h el o wl a y e rc o r ep r o t o c o li nb l u e t o o t hs y s t e m b a s e do nt h eb r i e fi n t r o d u c i n gb l u e t o o t ht e c h n o l o g ys t a n d a r d ，p r o t o c o lf r a m e ， a p p l i c a t i o n ，i m p l e m e n ta n dd e v e l o p m e n t ，a l l a b o u tt h eb a s e b a n d ，t h i sp a p e r d i s c u s s e dt h eb l u e t o o t hb a s e b a n dc o r ep r o t o c o li nd e e p l y t h r o u g ht h ed i v i s i o n o fb l u e t o o t hh a r d w a r em o d u l ea n di t sf u n c t i o na n a l y s i s ，an e wd a t a p r o c e s sp a t h i nb a s e b a n da n dt h eb a s e b a n d i ps t r u c t u r e d e s i g n a r e g i v e n s o f t w a r e s i m u l a t i o no fh o ps e l e c t i o na l g o r i t h mo ft h eb a s e b a n di sd e s i g n e di nv h d l e d as i m u l a t i o ni n d i c a t e st h eh o pa l g o r i t h mc a nm e e tt h ed e s i g na i m sa n d n e e d sp r i m l y t h ed a t ap r o c e s sp a t hi nb a s e b a n di sd e t a i l e dd i s c u s s e d t h e a l g o r i t h mf l o wd i a g r a mi sg i v e ni ne a c hk e ya l g o r i t h m f i n a l l y ，t h er e c e i v i n g a n ds e n d i n gm o d u l e so fb l u e t o o t hb a s e b a n dp a c k e ti sd e s i g n e di nv h d la n d s i m u l a t e d ，w h i c hi n t e g r a t e1 6 _ b i tc r c ，8 - b i th e c a n d1 3r a t i of e e t h er e s u l t v a l i d a t e si tf i t sw i t ht h ed e s i g nn e e d t h i s p a p e rr e a l i z e dp a r t f u n c t i o no fe m b e d d e d b l u e t o o t hs y s t e mw i t h v h d l t h i sw i l ls u p p o aad e s i g nb a s eo ft h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h e s i n g l ep u r p o s ep r o c e s s o r t h e r e s u l tv a l i d a t e st h e d e s i g n sv a l i d i t y a n d f e a s i b i l i t y t h er e s e a r c hc o n t e n ti si na c c o r d i n gw i t ht h ec u r r e n t l yd e v e l o p m e n t a n du p d a t eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y i th a st h es i g n i f i c a n c ef o rb o t ht h e o r y ， p r a c t i c ea n d b u s i n e s sv a l u e k e y w o r d s ： b l u e t o o t h ，b a s e b a n d ，h o p ，v h d l ，i p ，p a c k a g e ，c r c 北京交通大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 蓝牙技术提出的背景 “蓝牙”这个名字的来历颇具传奇色彩。这一名称取自丹麦国王哈拉 德二世，关于这位国王的名字有两种说法：一种说法是他的全名是h a r a l d b l a t a n d ，b l a t a n d 在英语中意思为“蓝牙”( b l u e t o o t h ) ；还有一种说法是， 这位丹麦国王酷爱吃蓝梅，以致于牙齿都染成了蓝色，因此“蓝牙” ( b l u e t o o t h ) 成了这位国王的绰号。 瑞典的爱立信公司于1 9 9 4 年成立了一个专项科研小组，对移动电话及 其附件的低能耗、低费用无线连接的可能性进行研究，他们的最初目的在 于建立无线电话与p c 卡、耳机及桌面设备等产品的连接。但是随着研究 的深入，科研人员越来越感到这项技术所独具的个性和巨大的商业潜力， 同时也意识到凭借一家企业的实力根本无法继续研究，于是，爱立信将其 公诸于世，并极力说服其他企业加入到它的研究中来。他们共同的目标是 建立一个全球性的小范围无线通信技术，并将此技术命名为“蓝牙”，来表 达要将这种全新的无线传输技术在全球推广，并实现全球通用的雄心。1 9 9 8 年2 月，爱立信、诺基亚、i b m 、东芝及i m e l 组成了蓝牙特殊利益集i 圃( s t g ) 。 之后，蓝牙引起了越来越多企业的关注。目前，包括微软、索尼、惠普、 戴尔在内的2 0 0 0 多家公司都签署了相关协议，共享这一先进技术。 目前工作在2 4 g h z 频段上的无线个人区域网技术中，除了蓝牙技术 之外，还有e e e 8 0 2 1 1 ，h o m e r f 和红外技术。它们各有优缺点，总的来 说，i e e e s 0 2 1 1 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，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。 1 2 蓝牙技术的基本内容 蓝牙技术是一种无线数据与数字通信的开放性全球规范。它以低成本 的近距离无线连接为基础，为固定与移动通信环境建立一个接入点。该技 术实质内容是建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准，使移动 通信与计算机网络进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线 或电缆相互连接的情况下，能在近距离( 1 0 m 一1 0 0 m ) 范围内具有互操作性 北京交通大学硕i 学位论文 能，使人们能随时随地的进行数据信息的交换与传输。 蓝牙技术规范1 0 版本所公布的主要技术指标和系统参数为：蓝牙工 作在全球通用的2 4 g h z i s m ( b i ji n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) 免付费、 免申请的无线电频段：采用了快跳频和短分组技术，有效的抗信号衰落和 低的同频干扰性，既保证了与蓝牙系统较相似的其它系统更为稳定，又保 证语音和数据传输的可靠性；采用二进制调频( f m ) 技术的跳频收发器来抑 制干扰和防止衰落：采用前向纠错o = - e c ) 技术来抑制长距离链路的随机噪 声；数据速率为1 m b i t s ，时分双工传输方案被用来实现全双工传输，其基 带协议是电路交换和分组交换的结合；一个跳频频率发送一个同步分组， 每个分组占用一个时隙，也可扩展到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，或一个同时传送异步数据和同步语 音的通道。蓝牙1 0 b 规范所公布的主要技术指标和系统参数如表1 - 1 所示。 表1 - 1 蓝牙主要技术指标和系统参数 工作频段i s m 频段，2 4 0 2 2 4 8 0 g h z 双工方式全双工，t d d 时分双工 业务类型支持电路交换和分组交换 数据速率 1 m b i t s 异步信道速率非对称连接7 2 1 5 7 6 k i t s ，对称连接4 3 2 6 k b i t s 同步信道速率 6 4 k b i t s 功率美国f c c 要求 (j 吣瓜 | 图5 - 57 9 跳系统排序操作 工o_ ) ，o 图5 - 6 蝶形操作原理 3 1 孔 北京变通大学硕士学位论文 5 3 基于v h d l 的蓝牙基带跳频的i p 实现 以x i l i n x 公司的i s e 5 2 作为开发工具，用两个实体m o d 7 9 和p e r m 分 别模拟二次相加运算和换位操作来进行仿真。实体p e r m 和m o d 7 9 的描述 分别为 e n u t yp e r mi s p o r t ( c l o c k ：i ns t d l o g i c ； c ：i ns t d _ l o g i c _ v e c t o r ( 4d o w n t o0 ) ； b ：i ns t d _ l o g i c _ v e c t o r ( 4d o w n t o0 ) ； d ：i ns t d _ l o g i c _ v e c t o r ( 8d o w n t oo ) ； y ：i ns t d _ l o g i c ； r e s u l t ：o u ts ( 1 _ l o g i c _ _ v e c t o r ( 4d o w n t oo ) ) ； e n d p e r m ； e n t i t ym o d 7 9 i s p o r t ( c l o c k ：i ns t d j o g i c ； c l k u l a j p p e n n x o u t ：i ns t d _ l o g i c v e c t o r ( 2 7d o w n t o0 ) ； ：i ns t d _ l o g i c _ v e c t o r ( 3 1d o w n t oo ) ； ：i ns t d _ ! o g i c v e c t o r ( 4d o w n t o0 ) ； ：o u ts t d _ l o g i c _ v e c t o r ( 6d o w n t o0 ) ) 二 e n dm o d 7 9 ； 仿直波形如下陶5 7 所示： 图5 7 换位操作和二次相加运算仿真波形图 3 2 北京交通大学硕士学位论文 跳频选择模块如下图5 - 8 所示： h o p f r e q 图5 - 8 跳频选择模块 构成：由文件h o p f r e q v h d 生成，其内部集成了蝶形运算和二次相加运 算操作等功能模块。 功能：可正确的仿真蓝牙系统中的7 9 跳频选择功能。 管脚说明： 输入：c l o c k ：主时钟 r s t ：复位信号 c l k ( 2 7 ：们：主单元时钟信号 u l a p ( 2 7 ：0 1 ：蓝牙设备地址l a p 和u a p 的低4 位 输出：h o p f r e q o e n c e ：7 9 跳频编号 仿真波形图如图5 9 所示： 图5 - 9 跳频仿真波形图 选取1 a p 为4 5 2 3 1 2 ( 十进制) ，主单元时钟初始值c l k 为1 2 5 1 6 4 4 ( 十 进制) ，对上面的实现用i s e 的h d lb e n c h e r 进行7 9 跳跳频序列的仿真， 由仿真波形可知，产生的跳频序列覆盖了7 9 跳选择范围，并且跳频的选取 具有良好的随机性， 3 3 北京交通大学硕士学位论文 第六章蓝牙基带数据处理及其v h d l 实现 6 1 蓝牙基带的数据分组一般格式 在一个蓝牙网的信道中，数据以分组的形式传输。每一个分组由三个 部分组成：访问码、分组头和有效载荷。访问码和分组头的长度是固定的， 分别为7 2 位和5 4 位。有效载荷的长度可以从0 2 7 4 5 位变化。标准分组格 式如图6 - 1 所示。基带规范中，分组与消息的编码比特顺序遵循l i t t l e e n d i a n 格式。基带控制器将来自高层软件层的第一个b j f 终为如( 对应最低有效值 t s b ) ，这也是无线发射的第一比特。而且，在基带层产生的数据字段，如 分组头和载荷头等，都是l s b 首先发射。蓝牙微微网中分组的类型与它们 的链接方式有关。对于s c o 和a c l 两种链接方式，每种都各有1 2 种不同 类型的分组。此外还有四种为这两种连接方式通用的控制分组。 6 1 ，1 访问码 图6 1 标准分组格式 每个分组都以访问码作为开头，如果分组含有分组头，则访问码长度 是7 2 比特，否则为6 8 比特。访问码用于同步、d c 补偿及识别，用于标 识微网信道上交换的所有分组。同一微网内传输的分组，均以相同信道访 问码开头。访问码包括前缀、同步字，有时也包括码尾。参见图6 - 2 。 l s b 46 44 m s b r 1 。r j l前缀i 同步字 【 码尾 ： l j 二一一二 图6 - 2 访问码格式 其中访问码的类型又有信道访问码( c a c ) 、设备访问码( d a c ) 和 查询访问码( i a c ) 等三种。信道访问码标识一个微网，设备访问码用于 特殊信令过程，如呼叫和呼叫应答。对于查询访问码有两种类型，通用查 询访问码( g i a c ) 和专用查询访f 弼( d i a c ) 。c a c 由前缀、同步字和码尾组 成，总长度是7 2 比特。d a c 和i a c 本身作为独立完整消息使用，没有码 北京交通大学硕士学位论文 尾部分和分组头部分，长度是6 8 比特。 前缀为固定0 - 1 模式的4 比特符号，用于d c 补偿。根据随后同步字 l s b 是“1 ”或0 ，4 位符号分别是“1 0 1 0 ”或“0 1 0 1 ”。 不同类型访问码使用不同蓝牙设备低地址( l 镭) 构造同步字。对于 c a c ，使用主单元b 岬：对于g i a c 和d i a c ，使用保留的专用的l a p ； 对于d a c ，使用从单元l a p 。对同一个主单元来说，其访问码都相同。 同步字的具体计算如下： 1 l a p 的m s b 为0 ，则在l 谨后加上0 0 1 1 0 1 ；若为1 ，则加上1 1 0 0 1 0 。 这样就构成了一个3 0 比特的信息，l a p 的m s b 与附加的6 比特组成7 比 特的b a r k 序列，用以进一步提高自相关性； 2 将得到3 0 比特信息与p n 序列的后3 0 比特相异或进行预干扰； 3 用( 6 4 ，3 0 ) 区组码产生器对此3 0 比特信息生成6 4 比特临时码字； 4 将6 4 比特的p n 码与临时码字相异或得到同步字。 p 码生成式为h ( d ) = l + d + d 3 + d 4 十矿，初态为1 0 0 0 0 0 ，得到 6 4 位p 序列p ( d ) 1 6 进制表示为3 f 2 a 3 3 d d 6 9 8 1 2 1 c 1 。其中，p 0 在 最左边，风3 在最右边。 将2 4t b 特的l a p 表示成多项式形式为： a ( d ) = ；口o + 口l d + + 口2 3 d 2 3 其中a o 是u 垤的最低位l s b 。( 6 4 ，3 0 ) 区组码产生器的生成多项式为： “d ) = 1 + d 2 + d 3 + d 8 + d 1 0 + d 1 2 + d 1 3 + d + d 1 8 + d 2 1 + d 2 2 + d + d 2 4 + d 弱+ d 2 7 + d 2 9 + d 3 1 + d 3 4 下面举例说明计算同步字的过程。假设给出的b da d d r 为 4 5 i ：) 3 0 0 6 1 6 8 7 2 ，所有数据采用1 6 进制表示。 1 。给出的b da d d r 是l s b 在最右边，先将b da d d r 反序，得到 l a p 为4 e d 6 8 6 。l a p 的m s b 为0 ，则在l a p 后加上0 d ，得到3 0 比特的 信息序列为1 3 8 5 c 1 8 d 。 2 将3 0 比特信息序列与6 4 比特p n 序列尸( d ) 的p 。p p 6 3 位相异 或得到待编码字为3 a 0 4 8 4 c 。 3 求得奇偶比特为f c a 8 c f 7 5 ，临时码字为7 8 1 3 f d c a 7 a 0 4 8 0 4 c 。 4 临时码字与p n 码异或得到同步字为4 4 3 9 c e l 7 1 3 8 5 a 1 8 d ，加上前 置和后缀码得到b da d d r 的访问码为5 4 4 3 9 c e l 7 1 3 8 5 a 1 8 d 5 。 只要在分组构成中分组访问码之后跟有分组头，则一定在同步字之后 附加码尾序列，分组带有c a c 的情况是个典型例子。码尾序列是具有固定 北京交通大学硕士学位论文 o l 模式的4 比特符号。根据同步字的m s b 是0 或1 ，码尾序列为 “1 0 1 0 ”或“0 1 0 1 ”。 6 1 2 分组头 分组头包含链路控制信息，由六段组成， a m a d d r 活动成员j 嗵t j l ：( 3 比特1 t y p e 类型码( 4 比特1 f l o w 流控位( 1 比特1 a r q n 确认指示( 1 比特) s e q n 序列编号( 1 比特) h e c 头错误校验码( 8 比特) i s b341】 如图6 - 3 ： 18m s b 图6 - 3 分组头格式 分组头的总长度为1 8 比特，经过1 3 比例前向纠错编码( f e c ) 彤成5 4 比特的头信息。 1 活动成员地址( a ma d d r ) 此3 比特字段用于区分参加微微网的活动成员。活动成员地址在从单 元激活时由主单元临时分配。主单元与从单元交换分组时，都将带有从单 元的a ma d d r 信息。全“0 ”地址保留用于主单元到所有从单元的广播 分组。但是，f h s 分组例外，它使用全“0 ”地址时不是广播分组。 2 类型码( t y p e ) 分组分为1 6 种不同类型，采用4 比特类型码( t y p e ) 表示。类型码的 确定，首先取决于分组是在s c o 链路发送还是a c l 链路发送；其次，取 决于是何种s c o 分组或a c l 分组。 3 流控位( f l o w ) 流控位用于a c l 链路上分组流量控制。当接收方a c l 链路r x 缓冲 区充满时，返回f l o w - - 0 用于暂停数据传输。但是停止信号只涉及a c l 分组。当r x 缓冲区清空时，将返回发送( g o ) 信号，f l o w = 。当没有接 收到分组或接收头信息出错时，默认n d w = 1 。 4 。确认指示( a r q n ) 北京交通大学硕士学位论文 a r q n 信号用于通知发送端：有效载荷己经成功接收并经过c r c 校 验。如果载荷完全正确接收，就返回a c k ( a r q n - - 1 ) ，否则返回 n a k ( a r q n = 0 ) 。如果没有收发返回确认信号时，就默认为n a k 。 5 序列编号( s e q n l 对于每一个含有c r c 的新传输分组，s e q n 位将反相，这有助于分组 接收端排除己正确接收的重传分组。对于无编号a r q n 机制，由于缺少分 组编号，所以采取增加s e q n 位提供辅助编号机制。 6 头错误校验( h e c ) 此8 比特字段用来检查分组头的完整性。h e c 由多项式6 4 7 f 八进制1 形成。在校验之前需对h e c 进行初始化。 6 1 3 有效载荷 有效载荷中又有两种字段应区分开：( 同步) 语音段和( 异步) 数据段。 a c l 分组仅含有数据段；s c o 分组除d v 分组外，一般也仅含有话音段； d v 分组同时含有话音段与数据段。 话音段具有固定长度，对于i - i v 分组来说，话音段长度为2 4 0 比特； 对于d v 分组来说，话音段长度为8 0 比特。话音段没有有效载荷头。 数据段由三部分组成：有效载荷头、有效载荷体和c r c 码识有a u x l 分组不含有c r c 码1 。 1 有效载荷头 只有数据段含有有效载荷头，其长度为一个或两个字节。载荷头定义 了逻辑信道( 2 位l _ c h 标志) 、逻辑信道上的流控f i l t j ( 1 位f l o w 标志) 以及 有效载荷长度指示器。 2 有效载荷体 有效载荷体为用户信息，它代表有效流通量。 3 c r c 码 有效载荷中1 6 位循环冗余校验码由多项式( 八进制) 生成。它的生成过 程类似于头错误校验码生成过程。在生成c r c 码之前，用一个8 比特值来 初始化。在主单元呼叫响应状态中发送f h s 分组的c r c 码，使用从单元 的u a p 来初始化。在查询响应状态中发送阳s 分组的c r c 码，使用默认 初试化c i ) 值。而对所有其它分组，使用主单元的u a p 来初始化。 北京交通大学硕士学位论文 6 _ 2 蓝牙基带数据处理过程 尽管蓝牙数据分组有不同的分组类型，但总的来说，基带层中的比特 流处理流程如图6 - 2 和图6 3 所示。 图6 - 2 分组头比特流处理过程 图6 - 3 有效载荷比特流处理过程 虚线表示该项为可选项，它取决于数据分组的类型。有上两图可以看 出，在分组头和有效载荷的比特处理中，都必须进行加噪处理，目的是使 具有较高冗余读模式的数据随机化，并减少分组的直流偏移。在f e c 编码 之前执行加扰过程，在接收端，接收数据使用与发送端相同的噪声字发生 器进行解扰。解噪过程在f e c 解码后完成，下面以发送方的分组比特流处 理步骤为例详述如下。 第一步，产生h e c 和c r c 使用信道访问码、分组头阳及有效载荷c r c ，可以校验分组因传 输而引起的差错。h e c 和c r c 通常也包括对u a p 的校验。太多数分组情 况下都使用主设备u a p ( 高地址部分) 进行初始化。 c r c 的全称为c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，中文名称为循环冗余校验。 它是一类重要的线性分组码，编码和解码方法简单，检错和纠错能力强， 在通信领域广泛地用于实现差错控制。这里我们着眼于介绍c r c 的算法与 实现，对原理只能捎带说明一下。若需要进一步了解线性码、分组码、循 北京交通大学硕士学位论文 环码、纠错编码等方面的原理，可以阅读有关资料。利用c r c 进行检错的 过程可简单描述为：在发送端根据要传送的k 为二进制码序列，以一定的 规则产生一个校验用的r 位监督码( c r c 码) ，附在原始信息后边，构成一 个新的二进制码序列共j “r 位，然后发送出去。在接收端，根据信息码和 c r c 码之问所遵循的规则进行校验，以确定传送中是否出错。这个规则， 在差错控制理论中称为“生成多项式”。 在代数编码理论中，将一码组表示为一个多项式，码组中码元当作多 项式的系数。例如1 1 0 0 1 1 0 1 表示为1 + x 7 + 1 + x 6 + 1 + ，+ 1 + + 1 + 一假 设c r c 多项式为尺( ，生成多项式为g ( 砷( g 使用已经被大量的数据， 时问验证过的，正确的且高效的生成多项式，其码组表示式假设为p o l y ) ， 原始多项式为琢) ，g ( 砷的最高幂次等于r ，则将p 乘以，再除以g ， 所得余式即为尉，而其码组表示共有r 位。除法运算在数字电路中就是 异或操作。 我们知道g 的最高位一定是1 ，商1 还是商0 是由被除数的最高位 决定的。而我们并不关心商究竟是多少，我们关心的是余数。当被除数的 最高位是1 时，商1 然后把最高位以后的r 位与g o 。的后，位x o r 得到余 数：如果被除数的最高位是0 ，商0 然后把被除数的最高位以后的r 位与 g 的后r 位x o r 得到余数，而我们发现其实这个余数就是原来被除数最 高位以后的r 位。也就是说如果最高位是0 就不需要做x o r 的运算了。由 此我们不难得出一个简单的c r c 算法如图6 _ 4 。但这样实现的算法效率较 低，不适合用于高速通信的场合。数字通信系统般是对一帧数据进行 c r c 校验，而字节是帧的基本单位。因此最常用且快速的一种方法是按字 节查表的快速算法。用标准的c r c 生成多项式，对应有一个固定表其中数 值共有2 8 = 2 5 6 个。我们假设每次左移一个字节。则算法可优化为如下所示： a 、r e g i s t e r 左移一个字节，从原始数据中读入个新的字节 b 、利用刚从r e g i s t e r 移出的字节作为下标定位t a b l e 中的一个值 c 、把这个值x 0 r 到r e g i s t e r 中 d 、如数据未处理完，则循环执行a c 北京交通大学硕士学位论文 i e r 中的值置零 原始数据p ( x ) 后添加r 个零，设 为p ( x ) r e g i s t e r 中的值左移一位将 p ( x ) 的值从高位移入 移出的b i t 是否为l x o r p 0 1 p ( x ) 是否处理完毕 中的低r 位即为r ( x 否 图6 - 4 c r c 算法流程圈 用v h d l 描述语言设计1 6 位c r c 模块实体描述如下所示： e n t i t yc r c l 6i s p o r t ( c l k _ d i v ：i ns t d _ l o g i c ； c r c e n ：i ns t dl o i g i c ； d a t a _ i n ：i ns t d _ l o g i c _ v e c t o r ( 7d o w n t oo ) ； d a t ao u t ：o u ts t d _ l o g i c v e c t o r ( 1 5d o w n t o ) ； 元件实例如图6 4 所示，用m o d e l s i m s e 5 5 e 仿真如图6 5 所示。 构成：由源文件c r c l 6 v h d 生成。 功能：对分组有效数据载荷进行1 6 位循环冗余码产生和校验。生成电 路中的移位寄存器用8 比特u a p 初始化( 在本文假设为o o o o o o o o ) 。 管脚说明： 输入：c l kd i v ：输入分频信号 c r ce n ：c r c 模块工作使能信号 d a t a3 n ( 7 ：0 ) ：进行c r c 运算的数据 输出：d a t a _ o u t ( 1 5 ：0 ) ：输出数据 北京交通大学硕士学位论文 c r c l 6 图6 - 4 1 6 位c r c 原理图 图6 - 5 c r c 仿真结果图 同理用v h d l 描述语言设计8 位h e c 模块实体描述如下： e n t i t yh e c i s p o r t ( c l k ：i ns t d j o g i c ： h e c e n ：i ns t d _ l o g i c ； d a t a j n ：i ns t d _ l o g i c v e c t o r ( 9d o w n t oo ) ； d a t a _ o u t ：o u ts t d _ l o g i c v e c t o r ( 7d o w n t o0 ) ) t 元件实例如图6 - 6 所示，仿真结果如图6 - 7 所示。 构成：由源文件h e c v h d 生成。 功能：对分组中的分组头信息进行头错误校验码的产生和校验。 管脚说明： 输入：c l k ：输入时钟信号 h e ce n ：h e c 模块使能信号 d a t ai n ( 9 ：0 1 ：分组头的低1 0 位数据信息 输出：d a t ao u t ( 7 ：o ) ：产生的8 位头错误校验码 h e c 图6 - 6 8 位h e c 原理图 北京交通大学硕士学位论文 图6 7 仿真结果图 第二步，产生加密序列 1 ) 、产生链路密钥 2 ) 、鉴权 3 ) 、产生加密密钥 4 ) 、产生加密序列 第三步，产生加噪序列 噪声字利用公式g 。, t a t e ( d ) = d 7 + d 4 + l ( 即八进制数2 2 1 ) 产生，并随即 使用头和有效载荷的异或操作。噪声字采用线性反馈移位寄存器( l f s r ) 产 生， 图6 - 8 数据加噪l f s r 第四步，加密 第五步，加噪 第六步，分别对分组头和有效载荷进行1 3 和2 3 f e c 编码，得到完整 的分组比特流。 上述基带发送方数据处理过程可用图6 - 9 表示。 图6 - 9 基带发送数据处理过程 北京交通大学硕士学位论文 6 3 蓝牙基带收发规程 6 3 1 发送规程 对于每一条a c l 链路及s c o 链路，独立执行发送规程。图6 一l o 显示 了对应单个从单元的a c l 和s c o 缓冲区的t x 例程。 t xa c l b u f f e r 瓢一 其次当前话音f i f o 图6 1 0 发送缓存功能图 分 组 打 包 器 在主单元中，对每一个从单元都有一个独立的t xa c l 缓冲区，而对 每一个s c o 从单元可能有一个或多个 i xs c o 缓冲区。每一个发送缓冲区 由两个f i f o ( 先入先出) 寄存器组成。其中，“当前”寄存器由蓝牙控制器准 备打包使用；“其次”寄存器由蓝牙链路管理器加载新信息使用。开发s 1 与s 2 的位置决定哪一个寄存器是“当前”寄存器，哪一个是“其次”寄存 器。开关由蓝牙链路控制器控制。f i f o 寄存器输入输出开关不能同时连接 同一寄存器。 在a c l 和s c o 公用分组0 d ，n u l l ，f o l l ，f h s ，d m i ) v e ，只有 d m l 分组携带的有效载荷能够在链路管理器和链路控制器之间进行交换， 此分组使用a c l 缓冲区。所有a c l 分组使用a c l 缓冲区，所有s c o 分 组使用s c o 缓冲区。d v 分组除外，它的话音部分使用s c o 缓冲区，数据 部分使用a c l 缓冲区。 6 3 2 接收规程 a c l 链路和s c o 链路执行不同接收规程。在发送规程中，主单元对 各个从单元设有独立a c l 发送缓冲区。但是在接受规程中，所有从单元共 享一个a c l 接收缓存区；而s c o 缓存区使用方式将取决于如果区分不同 北京交通大学硕士学位论文 s c o 链路，从而决定是否需要额外s c o 缓存区。图6 1 1 描述了r x 规程中 使用的a c l 和s c o 缓冲区结构。 r x a c l b u f f e r 图6 1 1 接收缓存功能图 接收a c l 缓存区由两个f 1 f 先入先出) 寄存器组成：其中一个寄存器 由链路控制器载入最新收到分组有效载荷；另一个寄存器由链路管理器读 取前一分组有效载苟。接收s c o 缓存区也是由两个f i f o 寄存器组成：其 中一个寄存器由刚收到的话音信息填入；另一个寄存器由话音处理单元读 取。因为接收分组头中类型代码指明了有效载荷是数据还是话音，所以拆 包器能自动引导业务流到恰当缓存区。每当链路管理器读取寄存器时，开 关s 1 切换一次。如果下一个载荷在接收寄存器清空之前到达，则必须在返 回分组头中设置“s t o p ”指示。该指示在接收寄存器清空后，立刻取消。 一个新的a c l 分组有效载荷存储在a c l 寄存器之前，必须校验“s e q n ” 位。 6 3 3 流量控制 由于新载荷到达时，a c l 接收缓冲区可能已饱和，所以需要流控。通 过分组头中的“f l o w ”位，可以使用“s t o p ”或“g o ”指示对传输信 数据进行控制。 1 接收端控制 只要数据无法接收，或者接收缓冲区未被链路管理器清空，就发出 “s t o p ”指示。当可以再次接收新数据时，返回“g o ”指示。但话音通 信不受流控影响，而且流控对于收，发传输方向独立执行。 北京交通大学硕上学位论文 2 发送端控制 发送端收到“s t o p ”信号后，链路控制器将自动切换到发送默认类型 分组。只要收到“s t o p ”指示，就发送默认分组。当没有收到返回分组时， 假定隐含为“g o ”信号。当收到“g o ”信号时，链路控制器假定要传输 在发送a c l 缓存区中提供的数据。 6 4 基于v h d l 的蓝牙基带数据收发i p 模块 i p 硬件研制是十分复杂的工作，实际上是把软件变成全硬件实现，也 就是实现所谓s o c 设计。研制工作的技术难点在于： 1 1 软件结构硬件实现中的时序安排问题。如果使用软件实现蓝牙基带 数据打包发送器，则可以直接根据协议的功能和要求，按流图设计软件各 部分模块，并规定相应的存储器即可。设计硬件系统，则需要根据协议功 能和要求分割电路，如果在结构上设计的与软件完全相同，则势必形成硬 件中时序的延长，同时，由于延迟的影响，任意形成系统混乱而导致硬件 工作失效。所以，硬件实现软件的个核心问题就是时序的合理安排和延 迟均匀的调整。 2 ) 硬件实现软件的另一个重要问题是，如何根据协议功能要求实现合 理的并行计算结构，从而提供硬件性能。 为了较好的解决硬件合理性和均匀延迟问题，本设计中把数据发送和 接收分为两大功能模块，电路进行了模块分割，在各模块内部实行流水线 工作电路，各模块之间实现同步并行工作方式。把接收和发送分开，可以 形成相应的并行工作方式。这样可以比较有效地解决硬件和理性问题，避 免工作混乱。同时，由于在接收和发送模块内部也实现了同步并行的设计 仿真，把电路分割成比较合理的功能单元，在单元内部实行串行工作，各 单元之间采用同步并行方式，因此可以有效地解决均匀延迟的问题。 6 4 1 发送单元模块 a c l 业务流当需要发送载荷时，打包器读取当前寄存器，然后根据分 组类型构造分组有效载荷，加在分组信道访问码及分组头之后并发送。在 本文仿真中假设已根据蓝牙设备地址计算得出同步字，并假设发送分组为 d h l 分组。 设计思路：蓝牙标准数据分组格式如图6 - 1 所示，在发送分组数据时 北京交通大学硕士学位论文 最低有效比特首先发送。为了发挥硬件电路并行处理的优势，采用8 位并 行数据线，发送端再通过8 位并串转换逐位发送出去。发送模块在接收上 层协议输入的有效载荷的同时，形成信道访问码和分组头部分，其中分组 头部分包括有8 位h e c 生成，再与1 0 比特头信息进行1 3 率f e c ( 前向 纠错) 编码，形成5 4 比特分组头。同时对输入的有效载荷进行1 6 位c r c 循环冗余度校验码生成，加在有效载荷之后。然后按访问码、分组头和有 图6 1 2 发送流程图 如图6 - 1 3 所示为该模块。以下所述模块均用v h d l 语言设计并在 x i l i n x 公司的e d a 软件i s e 5 2 i 下编译成功。该模块又由三部分构成分 别是f i f o ，c o m p o s e r 和p a r a 2 s e r ，其内部结构如图6 - 1 4 所示 北京交通大学硕士学位论文 s e n d p a r t 图6 1 3 蓝牙基带数据发送模块 送。 图6 - 1 4 9 9 i i dp a l _ t 内部结构图 构成：由s e n d p a r t v h d 生成。其中包括了三个例化元件。 功能：接收上层协议传送过来的有效载荷，打包形成数据分组进行发 管脚说明： 输入：r e s e t ：复位信号 c l k ：主时钟信号 w r i 也0 ：上层协议发送数据请求信号 d a t a i n ( 7 ：o ) ：上层协议输入8 位并行数据 输出：d a t ao u te n ：数据发送允许信号 d a t ao u t ：串行输出数据 n ) 、f i f o 模块 如图6 1 5 所示，为一8 8 的f i f o 缓存器。 北京交通大学硕士学位论文 f i f o 图6 1 5 f i f o 模块 构成：由文件f i f o v h d 生成。 功能：缓存上层输入的有效载荷。 管脚说明： 输入：r e s e t ：复位信号 w r r e o ：写数据请求信号 r d r e o ：读数据请求信号 d a t a i n ( 7 ：o ) ：输入数据 c l o c k ：输入时钟的8 分频信号 输出：d a t a ：输出数据ooi(7 e m p t y ：缓存器空信号 f u l l ：缓存器满信号 ( 2 ) 、c o m p o s e r 模块 如图6 1 6 所示。该模块内置了1 6 位c r c 和8 位h e c 校验码生成功 能。并将访问码、分组头和有效载荷按顺序组成数据分组进行发送。其中 由于1 8 比特分组头经1 3 率