（计算机应用技术专业论文）基于蓝牙标准的音视频传输技术的研究与设计.pdf

摘要 随着微电子技术、计算机技术和通信技术的快速发展，手机、p c 机、音响、 m p 3 、数码裙视、摄像机、电视等设备成为人们工作、学习和娱乐的必需品。人 们在亭受这些设备带来的方便的同时，设备之间的连线变得纷繁复杂。因此人们 追切希望这些设备之闼豹数据达到充分共享，同时设备之间的连接也尽量篱单。 蓝牙作为一种短距离的无线通信技术，被广泛应用到手机、耳机和车载等各种设 备中，同时可以使用一种通用接口如u s b 、u a r t ，改造现有的设备使其具有蓝 牙无线通信功能，提供小范围内设备的囱组网机制，充分实现设备之间的数据传 输和资源共享，满足用户的上述需求。 本文以蓝牙技术为基础，研究了蓝牙技术特点、蓝牙游议体系结构和蓝牙应 用规范。在此基础上，首先研究了基于蓝牙标准的点到点音频传输，重点研究了 蓝牙高级音频传输协议、s b c 音频编解码技术，设计了点到点音频传输系统感 知策略、安全认证策略、电源管理策略和入机交甄策略，并基于蓝牙单芯片方案 设计了蓝牙音频发射器硬件和蓝牙音频接收器硬件，最终实现了蓝牙点到点音频 传输系统。在很多数场景中，点到点音频传输系统不能满足入啻l 的需求，因就本 文又研究了基于蓝牙的点到多点音频传输技术，根据系统需求，分析了影响点到 多点音频传输的左右声道同步的医素并提出了解决方案，最后对系统麴软硬件进 行了设计。 在最新的蓝矛2 0 规范中，蓝牙的最大传输带宽可以达剑3 m b i t s ，这大大托 宽了篮牙在视频传输领域的应用。为此在篮牙音频传输瀚撼础 二，本文进而研究 了蘸牙的点到点视频传输，对基于m p e g 4 视频编解码技术和h c ! 中间层传输 办 议麴蓝牙视频传输方案进行了初步设计。该技术的研究，将对蓝牙技术的弼 究与 发展具有正硅l f 的推动作j h j 。 关键词菹牙：音频传输；视频传输 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y ， a n dc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y ，m o b i l ep h o n e s ，p e r s o n a lc o m p u t e r s ，m e d i ap l a y e r s ， s o u n d s ，d i g i t a lc a m e r a s ，c a m c o r d e r s ，t e l e v i s i o n sa n do t h e rd e v i c e sh a v eb e c o m et h e l i f en e c e s s i t i e sf o rp e o p l e sw o r k ，s t u d ya n de n t e r t a i n m e n t w h i l ep e o p l ee n j o yt h e c o n v e ni e n c eo ft h e s ed e v i c e s ，t h ec a b l e sb e t w e e nt h ed e v i c e sb e c o m em o r e c o m p l i c a t e d i ti sh o p e dt h a tt h ed a t ab e t w e e nt h ed e v i c e sa c h i e v e sf u l ls h a r i n ga n d t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ed e v i c e si sa s s i m p l e a s p o s s i b l e b l u e t o o t h a sa s h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt ov a r i o u s d e v i c e ss u c ha sm o b i l ep h o n e sa n dc a nu s eac o m m o ni n t e r f a c es u c ha su s b ，u a r t t ou p g r a d ee x i s t i n gd e v i c e st or e a l i z eb 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 b l u e t o o t h p r o v i d e ss e l f - o r g a n i z i n g m e c h a n i s mw i t h i ns m a l ls c a l et or e a l i z et h ed a t a t r a n s m i s s i o na n dt h es h a r i n go f r e s o u r c e st om e e tt h eu s e r s n e e d t h i sp a p e rb a s e do nt h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n dr e s e a r c h e dt h eb l u e t o o t h t e c h n i c a lf e a t u r e s ，t h eb l u e t o o t hp r o t o c o la r c h i t e c t u r ea n dt h eb l u e t o o t hp r o f i l e o n t h i sb a s i s ，f i r s tt h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h eb l u e t o o t hp o i n t - t o p o i n ta u d i ot r a n s m i s s i o n f o c u s i n go nb l u e t o o t ha u d i o v e d i od i s t r i b u t i o nt r a n s p o r tp r o t o c o l ，b l u e t o o t hs b c a u d i oc o d e ct e c h n o l o g ya n dd e s i g n e dt h eb l u e t o o t ha u d i ot r a n s m i s s i o ns y s t e m s e n s i n gs t r a t e g y ，s e c u r i t ya n da u t h e n t i c a t i o ns t r a t e g y ，p o w e rm a n a g e m e n ts t r a t e g ya n d t h eh u m a nc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c es t r a t e g y b a s e do nt h es i n g l e - c h i pb l u e t o o t h p r o p o s a l ，t h i sp a p e rd e s i g n e dt h eb l u e t o o t ha u d i ot r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e rh a r d w a r e s y s t e m s ，a n du l t i m a t e l yb r o u g h ta b o u tt h eb l u e t o o t hp o i n t t o p o i n ta u d i ot r a n s m i s s i o n s y s t e m i nm a n ys c e n e s ，t h ep o i n t - t o - p o i n ts y s t e mc a nn o ts a t i s f yp e o p l e sd e m a n d ， t h ep a p e ra l s or e s e a r c h e db l u e t o o t hp o i n t - t o - m u l t i p o i n ta u d i ot r a n s m i s s i o n a c c o r d i n g t ot h es y s t e mr e q u i r e m e n t ，t h ep a p e ra n a l y s e dt h ef a c t o r sw h i c hi m p a c t e dt h es t e r e o a u d i ol e f ta n dr i g h tc h a n n e ls y n c h r o n i z a t i o n ，p r o p o s e ds o l u t i o n sa n df i n a l l yd e s i g n e d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h eb l u e t o o t hp o i n t - t o m u l t i p o i n ta u d i ot r a n s m i s s i o n s y s t e m i nt h el a t e s tb l u e t o o t h2 0 s p e c i f i c a t i o n ，t h el a r g e s tb l u e t o o t ht r a n s m i s s i o n b a n d w i d t hc a ng e tt h r e em i l l i o nb i tp e rs e c o n d ，w h i c hg r e a t l ye x p a n d st h ea p p l i c a t i o n o fb l u e t o o t hi nt h ea r e ao fv i d e ot r a n s m i s s i o n b a s e do nt h eb l u e t o o t ha u d i o t r a n s m i s s i o n ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e dt h ep o i n t t o p o i n tv i d e ot r a n s m i s s i o na n d c o n d u c t e dap r e l i m i n a r yd e s i g no ft h ev i d e ot r a n s m i s s i o np r o p o s a lb a s e do nm p e g 4 i l l 北束t , l k 大学丫学硕l j 学 麓沦交 v i d e oc o d e ct e c h n o l o g ya n db l u e t o o t hh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c ep r o t o c 0 1 t h e r e s e a r c ho ft h et e c h n o l o g yw i l lp l a yap o s i t i v er o l ei np r o m o t i n gb l u e t o o t ht e c h n o l o g y r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t k e y w o r d sb l u e t o o t h ；a u d i ot r a n s m i s s i o n ；v i d e ot r a n s m i s s i o n 独创性声明 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耿得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 2 8 6 2 本人完令了解北京工业大学有关保留、使剧学i u j 论文的姚定，即：学校有权 保留送交沦义的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校叮以公f l j 论义的伞部或部 分内容，j 以采川影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的沦文在解密后应遵守此规定) 签名： 查堑 导师签名期? 镅圣 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 蓝牙是一种短距离的无线通信开放标准，1 9 9 8 年5 月由爱立信联合诺肇业 ( n o k i a ) 、英特尔( i n t e l ) 、i b m 和东芝( t o s h i b a ) 四家公司一起成立的蓝牙特殊利益 集团( b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，b l u e t o o t hs i g ) 推出。监牙使用全球通行 的、无须申请许可的2 4 g h z1 s m ( i n d u s t r ys c i e n c ea n dm e d i c i n e ，工业，科学，医学) 频段，可以实时进行数据和语音的传输，传输距离一股为1 0 米，最远可达l o o 米，传输速率为l m b p s 。蓝牙是一种低功耗的无线传输技术，主要有可以随时随 地的使用无线接口代替有线接口：具有很强的移植性，可用于多种通信场合：低 功耗，对人体伤害小；蓝牙电路简单、成本低、实现容易、易推广等优点1 1j 。蓝 牙技术应用广泛，具有广阔的市场前景。据资料介绍，2 0 0 0 年全球销售额为3 6 7 0 万美元，2 0 0 1 年达到i 2 6 亿美元，2 0 0 6 年为7 亿美元，2 0 0 8 年有望达到8 6 6 亿美元，资讯机构i d c 的研究报告指出，2 0 0 8 年全球销售的手机中将有5 2 的 手机具有蓝牙功能【2 】。 目前，市场上的蓝牙音频产品多为蓝牙耳机，蓝牙车载等产品，该类产品可 以使用户一边接电话，一边做其它的事情，解放了用户的双手同时避免了于机辐 射对用户健康的影响。这种产品市场上有很多，例女摩托岁 t 的蕊牙耳机! - t 3 5 0 ， j a b r a 的蓝牙耳机b t 2 5 0 v 和s o n y e r i c s s o n 的h b h 3 5 等。但足黼牙耳机和蓝牙 车载等产品的语音传输是通过蓝牙基带协议的s c 0 ( s y n c h r o n o u s c o n n e c t i o n o r i e n t e d ) 链路来传输的，该链路的传输速率为6 4 k b p s ，仪能满足一般 的语音通话水平。随着蓝牙技术的进一步普及以及家庭h i f i 爵响改备n 勺增多， 人们迫切希望能够实现高品质音乐的无线传输。因此，采川监牙进行高质量音频 传输就成为当前蓝牙产 f ，研发的热点。同时，随着蓝牙技术l 内刁：断发腮，特别是 2 0 0 5 年蓝牙s i g 推出蓝牙2 0 + e d r 规范，使得蓝牙带宽可达3 m b p s ，为蓝牙 规范1 0 版本的3 倍，在某些情况下可以达到1 0 倍，这为采川蓝巧：技术进行无 线视频传输提供了巨大支持【3 1 。因此，研究基于蓝牙标准的音视频传输技术，根 据不同的应用场景，提出相应的解决方案，实现蓝牙的点到点音频传输，点到多 点音频传输以及点到点视频传输，具有创新性和前沿性，该课题的研究对于蓝牙 无线通信技术的发展具有重要意义。 北京t 业大学工学硕i ，学位论文 1 2 国内外研究现状 蓝牙无线通信技术自推出以来得到了迅速的发展和广泛应用，蓝牙技术被广 泛应用到手机、键盘、鼠标、家庭网络、高速无线内部网络、电子名片等各种设 备中，川来实现数据共享。国外的蓝牙无线技术研究以及产品的研发都比较火热， 无论是蓝牙芯片的更新换代还是蓝牙开发平台、开发工具等配套产品的研发，都 发展的非常迅速。蓝牙单芯片的研发技术目前被少数西方公司所垄断，蓝牙芯片 的供应商有c s r ，t i ，z e e v o ，s t ，n a t i o a l ，s l i l i c o n ，w a v e ，l n f i n e o n 等公司， 而国内有关蓝牙单芯片的研发比较少。 国内外对于蓝牙音频传输技术的研究，最早是有关蓝牙耳机的研发，采用蓝 牙技术替代手机和耳机之间的连线，解放用户的双手。蓝牙耳机采用蓝牙耳机应 用规范和蓝牙免提应用规范，蓝牙音频传输只能满足一般的语音通信功能，不能 满足人们高品质音乐的需求。市场上的相关产品有s o n y e r i c s s o n 的h b h 一3 5 ，j a b r a 公司的b t 2 0 0f r e e s p e a k 、s p 5 0 0 ，该类产品比较多。随着人对于高品质音乐 的无线传输需求，在市场一i - _ 也有一些蓝牙立体声音频产品，如澳大利亚的b i u e a n t 公司的蓝牙便携式音箱，i - t e c h 的蓝牙立体声耳机c l i p $ 3 8 ，摩托罗拉的蓝牙屯 体声耳机$ 7 0 5 ，但是掌握该类产品研发的都是国外知名火公司，且技术形成垄 断，国内完全掌握该技术并且进行批量生产的企业较少，并且目前蓝牙立体声音 频产品主要是蓝牙立体声耳机，而升级现有普通音箱的蓝牙音频接收器以及蓝牙 音频发射器，蓝牙立体声音频模块等产品的研发还比较少，因此蓝牙无线立体声 音频相关产| 品的研发就成为我们迫切的要求。此外，上述蓝牙立体声音频产品只 是点到点的音频传输，而对于蓝牙点到多点音频传输以及多点到点音频传输技术 的研究国内外目前还没有一个很好的解决方案，因此对于蓝牙点到多点音频传输 技术的研究将意义重大。 对于蓝牙无线视频传输的研究方面，最新版本的蓝牙规范还没有规定好通用 的应用模型，虽然i 1 版本以后的蓝牙规范有相应的音频和视频方面的协议和应 用模型，但是还不是最终通用的版本。在国外，对于蓝牙h c i 层、l 2 c a p 层以 及i p 层等进行视频传输以及视频传输控制均有相关研究【4 胡j 。在国内，对于蓝牙 视频传输控制、视频流传输建模与仿真、视频传输性能分析等方而也具有相关研 究【 12 1 。福州大学初步实现了蓝牙视频传输，并申请了国家专利，但是其传输 质量在很大程度上还有待提高，硬件结构也还需要更好的改进【l3 i 。凶此，在利用 第1 章绪论 蓝牙技术传输视频信息领域还有很大的研究、发展空间。 1 3 研究内容 论文主要研究基于蓝牙标准的音视频传输技术，研究内容有以下四个方面： ( 1 ) 研究蓝牙无线通信技术 深入研究蓝牙无线通信技术，包括蓝牙协议栈及蓝牙应用规范、蓝牙系统的 软硬件开发。蓝牙协议栈是一种横向结构，以分层的结构定义了蓝牙设备之间交 互的动作模式。蓝牙应用规范是一种纵向结构，描述了如何将协议不同部分整合 起来满足某种蓝牙设备的特定功能，保证不同厂家生产的蓝牙产品具有互操作 性。 ( 2 ) 研究蓝牙点到点音频传输技术 深入研究蓝牙音频编解码技术、蓝牙音频传输协议，以及蓝牙高级音频传输 规范，根据系统的应用场景和系统目标，选择合适的系统开发方案和开发平台， 并对系统进行软硬件设计，最终实现蓝牙高品质立体声音乐的点到点传输。 ( 3 ) 研究蓝牙点到多点音频传输技术 在蓝牙点到点音频传输的基础上，研究蓝牙点到多点立体声音频的传输。根 据系统设计方案，重点研究立体声音频左右声道同步技术，实现蓝牙点到多点的 立体声音频传输。 ( 4 ) 研究蓝牙点到点视频传输技术 由) f 究蓝牙点到点视频传输技术，根据系统需求确定无线视频编解码方案以及 视频传输中间层协议，并对系统力j 案进行了初步设计。 1 4 论文组织结构 本文的组织结构如下： 第一章绪论：主要介绍论文的选题背景，国内外研究现状，并将蕊牙音视 频传输技术作为本论文的主要影f 究内容，最后确立了文章的组织结构。 第二章蓝牙无线通信技术：主要介绍了蓝牙技术基本特点，蓝牙协议体系 结构以及蓝牙应用规范。首先介绍了蓝牙技术的特点，然后对蓝牙协议体系结构 的每一层进行了介绍，最后介绍了蓝牙的主要应用规范。 第三章蓝牙音视频传输关键技术分析：主要介绍了蓝牙点到点音频传输， 北京下、i p 大掌工学：坝上学1 蕾沦文 蓝牙点到多点音频传输以及蓝牙点到点视频传输技术。首先介绍了点到点音频传 输技术，包括系统提出、系统目标、蓝牙高级音频传输协议分析，s b c ( l o w c o m p l e x i t ys u b b a n dc o d e c ) 音频编解码技术分析，以及蓝牙点到点音频传输系统 的设计策略。点到多点音频传输技术，包括系统提出，系统要解决的关键问题在 于左右声道的同步，分析了影响同步的因素并提出同步策略。点到点视频传输技 术，主要包括系统提出，蓝牙视频传输面临的挑战，并根据系统需求确定视频编 解码技术和视频传输中间层协议。 第四章蓝牙点到点音频传输原型设计：首先介绍了蓝牙协议栈的选择，系 统集成方案以及蓝牙多媒体开发平台，接着介绍了点到点音频传输系统的软硬件 设计与实现，最后对系统实现进行了功能和性能测试。 第五章蓝牙点到多点音频传输原型设计：首先介绍了点到多点音频传输系 统的硬件设计，接着介绍了系统的左右声道同步的软件设计，包括数据包格式设 计、缓冲区大小设计、同步周期的设定、系统绝对时间的计算以及发送端和接收 端数据包的处理流程。 第六章蓝牙点到点视频传输原型设计：首先介绍了点到点视频传输系统的 硬件设计，接着介绍了系统的软件体系结构、m p e g 4 数据包到h c l ( h o s t c o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 层数据包的封装设计、h c i 层流控制、h c i 的u s b 传输层和 h c i 层通信过程。 结沦部分对课题的研究成果和意义进行了总结并对未来的研究方向和目标 进行了展望。 第2 章蓝牙无线通信技术 第2 章蓝牙无线通信技术 2 1 蓝牙技术特点 蓝牙无线技术是为了解决一个简单问题而产生的，即以无线屯波替代设备之 间所使用的电缆，下面将从射频、网络拓扑结构、物理链路、链路管理和安全管 理等几个方面介绍蓝牙技术特点。 2 1 1 蓝牙射频特性 蓝牙上作在全球通用的2 4 g h zi s m ( _ t 业、科学、医学) 频段，许多国家对此 频率范围进行了限制，为了遵守这些限制，对这些国家定义了特殊的频率跳变算 法】。由于1 s m 频段具有公开性，使得其对所有频带无线电系统都“来者不拒”， 因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰。蓝牙采用快速确认和跳频方 案来确保链路的稳定【2 】，蓝牙技术把频道分成若干个跳频信道( h o pc h a n n e l ) ，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，信道时隙长度为6 2 5 微秒【1 4 】。 根据蓝牙发射功率的电平值，将蓝牙功率划分成三个不i 刊的等级，不i 司的发射功 率使得蓝牙设备之间的连接距离不同，蓝牙规范把射频功能分成三级，如表2 1 所示。 表2 1 蓝牙功率等级 t a b l e2 1b l u e t o o t hp o w e rc l a s s e s 功率等级 最人输出功率p 。 正常输出功率 最小输出功率p 。功率级控制范围 或功率级( d b m )或功率级( d b m ) 一级i o o m w ( 2 0 d b m )l m w ( o d i h n ) p n l i n 兼容性：该系统支持蕊牙l 。2 标准，发送端可| 以和任何支持a 2 d p ( a u d i o a d v a n c e dd i s t r i b u t i o np r o f i l e ) 规范的接收端互连，接收端支持a 2 d p 、 h f p 鄹h s p 规范，可以和支持多种规范的手机或发送端设备互连。 立体声音质：该系统采用c s r 公司的b l u e c o r e 0 3 m u l t i m e d i a 芯片，内 置1 6 位的编解码器和数字信号处理器，接收端音频采样率最高可达 4 8 k h z ，保证立体声音质。 自动感知：当蓝牙音频发送设备离开蓝牙区域时，音频接收设备能够感 知到设备的离开，自动断开连接。当音频发送设备重掰回到篮牙区域对， 音频接收设备又能够感知到设备的存在，实现自动连接。 良好的人机交互接口：该系统采用指示灯，方便爝户了解蓝牙链路和电 源状态，并且通过按键有效的控制蓝牙链路的连接和断开。 ( 2 ) 系统性能目标 蓝牙音频传输系统一般应瘸子固定的场所，如家庭、办公室、车内，根据该 系统的应用环境和需求，系统在性能上有以下几个方面的要求： 反应速度特性：在一个蓝牙音频传输系统中，蓝牙主设备应该能够快速 查找到从设备，并且森到支持蓝牙a 2 d p 设备的服务，进而快速的建立 连接，实现立体声音频传输。 便携特性：蓝牙音频发射器和接收器作为普通音频设备的外接扩展臣， 应该保证简捷方便，所以在进行硬件设计的时候，对- 丁电路板的尺寸应 该裔特殊要求。 节能特性：蓝牙模拟音频发射器和蓝矛音频接收器采用锂电池供电，所 第3 带篮牙音 聃频传输关键技本分机 ! ! 苎嬲! ! ! ! ! 曼曼燃燃! ! ! ! ! ! 曼燃鼍曼! ! ! ! ! 燮黑苎! ! ! 曼! 笪燃黑曼! ! ! ! 皇烹嬲! ! ! ! ! i i i h i i i 燃篡! ! ! ! ! 曼嗽麓! ! ! ! 曼曼曼燃竺! 皇苎 以应设计合理的电源管理策略，尽可能的节约能源，延长设备使用寿命。 安全特性：蓝牙提供点到点短距离通信，要保证信息传输的安全性，所 以应设计合理的安全策略，保证蓝牙链路信息的安全。 3 1 3 蓝牙高级音频传输协议分析 蓝牙应耀框架中，对于音频信号的传输，肖蓝牙耳机规范h s p 2 2 】，麓牙免 提规范h f p 2 s 】和蓝牙高级音频传输规范a 2 d p 2 3 1 。在蓝牙耳机规范和蓝牙免提规 范中，蓝牙语音信号采用s c o 链路进行传输，蓝牙s c o 链路的最大传输速率为 6 4 k b p s ，无法提供c d 音质的音频数据的传输，因此本系统决定采用数据传输量 为7 2 3 2 k b p s 的a c l 链路来传输语音数据。在蓝牙高级音频传输规范中定义了 在a c l 链路上实现离质量单声道或者多声道立体声传输的交互过程和音频编勰 码，为此在蕊牙点到点音频传输系统中，采用a 2 d p 传输规范进行蓝牙立体声音 频数据的传输。 在a 2 d p 中定义了两个角色：信 n ( s o u r c e ，s r c ) 和信宿( s i n k ，s n k ) 2 5 1 。信源 是篮牙匹克网中将音频流向外发送的设备，如手机、m p 3 等：信宿是蓝牙匹克 蚓中接收音频流的设备，如耳概等。蓝牙a 2 d p 协议模爱懿图3 2 所示。 音源端应用程序日p 音宿端应用稃序 a v d t ps d pqa v d t ps d p l m pl 2 c a pqp乙m pl 2 c a p b a s e b a n dqpb a s e b a n d 嚣添瞒嚣缮瞒 图3 2a 2 d p 协议模溅 f i g u r e3 - 2a 2 d pp r o t o c o lm o d e l 在该涤议模犁中，b a s e b a n d 、l 2 c a p 、l m p 、s d p 楚蓝牙核心融汶，蓝牙音 视频传输m 议a v d t p ( a u d i o v e d i od i s t r i b u t i o nt r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 1 2 4 1 是上层应用 协议，定义了监习二音频传输交互过程，a 2 d p 的实现是往j 二层应喇程j 手里实现的。 a v d t p 定义j 旨视频流的参数协商，连接建立和传输过程，同 寸逊规定了设备 之间交换消息的格式。a v d t p 协议利用+ 卜层的l 2 c a p 层提供的j j 乏务，完成自己 的功能后为上层提供相应的服务，其内部可以按功能分成一i 丽麴模块，主要有数 据流管理器、数据恢复模块、适配层和信令实体四个部分，a v d t p 各部分的功 ，能如下【2 4 1 1 2 6 l ： 数据流管理器：提供数据帧的生成、时间戳的管理、媒体包序列编号、 数据流的传输、向对等层和上层报告包丢失和抖动计算等功能。 北京t 业大学工学硕士学位论文 数据恢复模块：在l 2 c a p 层恢复丢失的数据分组，提供没有前向纠错 编码的恢复分组和有前向纠错编码的恢复分组。 适配层：提供使用鲁棒包头压缩方案压缩包头功能和在一个传输信道上 实现多个传输会话的复用的功能。 信令：主要完成服务发现、数据流参数协商、建立和拆除等相关的信令 过程。 在a v d t p 中采用l 2 c a p 信道进行媒体流传输，l 2 c a p 是基带上层协议， 为上层提供协议复用的功能，l 2 c a p 使用l 2 c a p 请求连接( c o n n e c t i o nr e q u e s t ) 命令中的p s m ( p r o t o c o ls e r v i c em u l i t i p l e x o r ) 字段来实现协议复用，a v d t p 协 议的p s m 字段为0 x 0 0 1 9 。此外，a v d t p 可以实现不同的传输服务，包括基本 服务、恢复服务、报告服务、适应服务( 多重和鲁棒头压缩) 和传输及信令信道 建立【2 4 】。 图3 3 音视频流连接建立释放过程 f i g u r e3 - 3s t r e a me n d p o i n td i s c o v e r yt os t r e a mr e l e a s e 下面介绍一下流传输的交互过程，设备之间要进行流传输，首先要建立流连 接，在a v d t p 中定义了流端点s e p ( s t r e a me n dp o i n t ) 的概念，流端点是一个抽 象的概念，它包含了设备的应用能力和可用的资源，应用程序在a v d t p 中注册 自己的s e p s 以使其它设备可以发现它们并建立连接1 2 引。s e i d ( s t r e a me n d p o i n t i d e n t i f i e r ) 表示一个特定流的设备间引用，在应用层进行分配，用于对等a v d t p 实体的信号传输。图3 3 表示了一个音频流端点s e p 从连接建立到释放的过程。 首先i n t 端发起一个s t r e a me n dp o i n td i s c o v e r y 请求，该过程返回一个流端点或 第3 章蕊爿。晋视彩! 传输关键披术分1 1 j i 多个流端点的类型和s e i d 。根据上一个过程发现的s e i d ，i n t ( i n i t i a t o r ) 端通过 发起g e tc a p a b i l i t i e s 请求查询远程s e p 的服务能力，服务能力包括媒体传输能 力、报告能力、恢复能力、内容保护能力、头压缩能力、复用能力以及媒体编解 码能力。然后i n t 根据本地和远程的s e i d 通过s t r e a mc o n f i g u r e 过程来配置 a c p ( a c c e p t o r ) 端s e p 。配置完毕后，i n t 端发起s t r e a ms t a r t 请求建立流连接， 该过程完成后流连接建立即町以进行音频流传输。在传输过程中j 任何一端发起 s t r e a ms u s p e n d 请求，流传输则挂起，要想重新进行流传输，需要发起s t r e a m r e c o n f i g u r e 过程。当流传输结束时，任何一方发起s t r e a mr e l e a s e 请求，则流端 点关闭，连接释放。 3 1 4s b c 音频编解码分析 在蓝牙立体声音频传输规范a 2 d p 中规定了音频传输的编解码格式，a 2 d p 支持s b c 、m p e g 。1 ，2a u d i o 、m p e g 2 ，4a a c 、a t r a cf a m i l y ，其中s b c 编码 是必须支持的，后三利，是可选支持的【2 5 】。当使用a 2 d p 不支持的编码格式时，需 要指出编解码参数、技术规范以及相关的文档。 在蓝牙点到点音频传输系统研发设计中，我们规定s r c 端和s n k 端均支持 s b c 编解码格式。s b c 编码是一个低汁算复杂度音频编码系统，基于低复杂度， 低延时，可以用有限的带宽实现最大化的网络数据传输。s b c 的基本参数主要 有采样频率、信道格式、块长度、子带数、分配方式、b i t p o o l 值等，s b c 数据 帧格式1 1 5j 如闰3 - 4 所示。 76 5432io 采十i 一爷信通馍式 块k 艘子，特放分配厅武 最小比轴池伯 最人比 池f n 图3 4s b c 数据帧十f l 关信息儿素 f i g u r e3 4c o d e cs p e c i f i ci n f o r m a t i o ne l e m e n t sf o rs b c s b c 支持多采样率包括l6 k t l z 、3 2 k h z 、4 4 1k h z 和4 8 k h z 。在进行蓝牙点 到点音频传输系统设计时，系统采用c s r ( c a m b r i d g es i l i c o nr a d i o ) 公矧的 b l u e c o r e 0 3 一m u l t i m e d i a ：卷片，该芯片内置编解码器c o d e c ，内置c o d e c 支持的最 商采样率为4 4 1 k h z ，因此在蓝牙s r c 端和s n k 端支持的s b c 编码的采样率均 为4 4 1 k h z ，如果采) ：l - j p l - 置编解码器而不用蓝牙芯片内置编解码器，蓝牙音频接 收端的采样率最高可达4 8 k h z 。通道模式有单声道、双声道、立体声和联合立体 声多种模式，其中单声道模式是音源端必须支持的，其它可选支持，而在音宿端 该四种模式都必须支持。s b c 的块长度有4 、8 、1 2 、1 6 四种。子带数有4 和8 北京t 、l k 大学工学硕j j 学位论文 两种，其中音源端8 是必须支持的，4 可选，在音宿端两种都是必须支持的。分 配方式有信噪比和响度两种，其中音源端响度是必须支持的，信噪比可选，而音 宿端两种方式都是必须支持的。比特池通过最大值和最小值来表示，范围从2 到 2 5 0 。a 2 d p 规范规定了最大传输的比特率，单声道是3 2 0 k b p s ，双声道是5 1 2 k b p s ， 对于接收端的解码器，a 2 d p 规范规定在不超过最大速率限制的前提下支持所有 可能的比特池取值。 3 1 5 系统设计策略 ( 一) 系统感知策略 在蓝牙点到点音频传输系统中，音频发射端和音频接收端利用蓝牙自组织能 力作为感知节点，组成了一个蓝牙感知匹克网。当一个蓝牙感知节点进入感知网 络时，蓝牙主设备能够很快的感知到从设备的进入，并发起连接。当蓝牙感知节 点离开蓝牙感知网络时，蓝牙从设备能够感知到设备离开，断开蓝牙连接，并且 在- 个感知网络：| 二i ，蓝牙主设备和从设备可以发生角色转换，每个设备既可以作 为主设备发起连接，也可以作为从设备等待连接。本系统利用蓝牙短距离通信和 自组织能力，存蓝牙音频接收端设计了感知策略，实时监测蓝牙链路状态并迅速 作出处理。感知策略的设计如图3 5 所示。 发送端小在i 域 断丌连接、 三味砂 亲掺待茗砂 图3 - 5 音频接收端感知策略 f i g u r e3 - 5 a u d i or e c e i v e rs e n s i n gs t r a t e g y l 、上电，音频发送端作为主设备处于查询状态，音频接收端作为从设备查 询扫描，处于等待主设备连接的状态。 2 、当主从设备均处于蓝牙区域内，主设备查找到从设备；主设备进入寻呼 状态，从设备进入寻呼扫描状态；最后主设备查找到从设备支持的服务，并和从 设备建市连接，从设备进入已连接状态。 3 、若主设备此时离开蓝牙区域或者蓝牙链路意外断开，音频接收端进入断 开连接状态，并采取寻呼音频发送端的动作，而进入主动连接的子状态，该策略 主要防止意外断开事件。 4 、如果此时音频发送端在蓝牙区域内，并接受音频接收端的连接，则音频 第3 苹蕊牙g - 视判1 1 输关键披术分 ： r 接收端进入已连接状态；如果拒绝连接，音频接收端则进入等待主设备连接状态， 作为从设备等待连接，并不再进入主动连接状态。 5 、如果此时音频发送端刁i 在蓝牙区域内，并在规定的时间主动连接设备超 时，音频接收端进入等待主设备连接状态，作为从设备，等待音频发送端进入区 域并主动发起连接。 此策略的优点是，音频接收端设备能够自动感知蓝牙链路的意外断开，当音 频发送端设备重新回到蓝牙区域时，能够实现自动连接，使蓝牙设备互连达到自 动化。 ( 二) 电源管理策略 蓝牙模拟音频发射器和蓝牙音频接收器，均属于嵌入式便携设备，一般要求 低功耗，尽量延长设备的使用时间，节省电量。蓝牙规范提供了节能功能最大限 度的减少了无关操作带来的耗电从而节省电能。蓝牙规范q j 定义了三种节能模 式，按照耗电量递减顺序分别为：保持模式( h o l dm o d e ) ，呼吸模式( s n i f f m o d e ) ， 休眠模式( p a r km o d e ) 。通过以上分析，本系统从以下几个方面进行进行电源管 理和程序设计，尽量减少功耗。 l 、设备在查询扫描和呼叫扫描时，需要设置查询扫描和呼叫扫描的时间间 隔和窗口长度，因此可以适当的增加查询扫描和呼叫扫捕的时间间隔，减少设备 的耗电，本文中设置扫描的时间间隔为8 0 0 m s ，窗u 长度为1 2 m s 。一旦设备连 接成功后，停止查询扫描和n - 乎n q 扫描，减少设备的耗电。 2 、采用软开关控制模块供电和音频放大器供电。通过设霄引脚r 岛低电平控 制蓝牙模块供电，在一段时间内没有检测到蓝牙音频连接建立，则自动关机，节 省r u 量。同样，通过设置引脚高低电、l 控制占频放大器，在一段时问内没有检测 到音频传输，则自动关闭音频放大器。 3 、由丁- 嵌入式设备要求体积小，所以采用3 7 伏锂电池进行供l 乜。往电源 管理程序设计中，对电池电量进行检测，当电池 乜量低的时候给山提示，避免电 池的过渡消耗，当电池电量不足时，自动关机，以延长电池使刖寿命。 ( i ) 安全认证策略 蓝牙技术是通过无线电波来进行通信的，无线信号很容易被截获，因此蓝牙 采义了一系列的安全措施确保通信安全。在第二章介绍了蓝牙技术本身定义的三 种安全模式：非安全、业务层安全、链路层安全。在蓝牙音频传输过程中，采用 蓝牙系统内建的安全机制来进行安全认证，即链路层安全模式，丰要包括配对、 验证、绑定等过程i | 9 j 。 在蓝牙设备之间初次建立连接时，蓝牙音频发射i 殳备发起连接并要求蓝牙音 频接收设备输入配对码p i n 进行设备配对，该过程主要创建验 ：j e 过程所需的临时 链路密钥( k i n i t ) 。而链路密钥k i n i t 由p i n 码、主设备链路管理器内生成的随机 北京t ! l 殳大学r 掌砀! 十学 觅沦文 曼! 鼍燃篡曼! ! ! 曼曼懋舞i i i i i i ! 曼 数和从设备蓝牙地址创建。配对完成后，蓝牙音频接收设备利用已生成的密钥 k i n i t 对设备的个体密钥( k a ) 进行编码，然后发送到蓝牙音频发送设备，蓝牙音 频发送设备对该个体密钥进行存储。此时音频发送设备和音频接收设备可以交换 个体密钥并创建联合密钥( k a b ) ，联合密钥由两个个体密钥计算出来。一般也可 以采焉任何一方的个体密钥作为链路密钥( 需要进行协商) ，逶常使用蓝牙音频 发射设备个体密钥。当链路密钥存储以后，每次该蓝牙音频接收设备同音频发射 设舔进行验证处理时，就可以使用存储的链路密镊进行验证，不必稃输入配对码 重新配对。当蓝牙音频发射设备和蓝牙音频接收设备链路密钥阱商致，蘸牙音 频发射设备可以发起询问并开始验证。询问是蓝牙音频接收设备给蓝牙音频发射 设舔发送一个随机数，蓝牙音频发射设备使用链路密钥计算出一个数字喃应，并 将该响应回给验证者。蓝牙音频接收设备进行同样计算，并将结果与蓝牙音频发 射端的嘛应进行比较，如果数字褶符，则验证顺剃通过，验证成功螽建立连接， 如果不匹配则可能是某一方使用了错误的p i n ，则验证失败，将拒绝执行下一步 的操作。 ( 四) 入机交互策略 在蓝牙音频传输过程i p ，发射端设备和接收端设备翻5 是便携式设备，操作简 单方便，设餐连接无需用户于预。同时，为了更好熬方霞用户使焉，使用户鼍以 更加清楚的+ r 解设备工作状态和控制设备的工作，本系统还提供人性化的交互接 口，方便用户操作。 旨先，在蓝牙音频收发设备中，设澄了篮牙链路状态指示灯，指示设备瀚连 接状态。通过指石灯闪烁的速度来表示彳i 同的链路连接状