（通信与信息系统专业论文）蓝牙无线通信技术及其应用研究.pdf

中文摘要 蓝牙技术提供低功耗、低成本、安全可靠的无线接入方式，工作在全球通用 的2 4 g h zi s m ( 工业、科学、医疗) 频段，可以使个人数字设备在小范围内真 正地移动起来，建立完善的无线个域网( w p a n ) 。 本文详细阐述了射频( r a d i of r e q u e n c y ) 技术和基带( b a s e b a n d ) 技术，它 是蓝牙技术的基础和核心，正确理解和掌握射频技术和基带技术是应用蓝牙技术 的前提。蓝牙技术研究和开发过程中的重要内容射频测试完全符合蓝牙的射 频技术规范；基带技术定义了信道控制、分组结构、跳频选择等规范。 基于模块化设计思路，本文完成了1 限1 0 2 蓝牙模块设计、t t b l 0 3 蓝牙模 块设计工作。蓝牙模块是将蓝牙芯片及通用外围电路集成到一块电路板，最小化 电路板尺寸，最佳化定制对外接口和封装，并能完成主要的射频电路设计和测试 工作。t t b l 0 2 蓝牙模块主要用于蓝牙鼠标和蓝牙u s b 适配器。根据所使用的蓝 牙芯片不同，1 限1 0 3 蓝牙模块具有不同用途，当使用b c 2 - - a u d i o 芯片时用 于蓝牙耳机，当使用b c 3 r o m 芯片时用于蓝牙u s b 适配器。 本文以t t b l 0 2 蓝牙模块为基础开发了蓝牙无线通信教学实验室，确定实验 系统的硬件和软件运作模型，开发相应的硬件和软件设备，紧密结合通信原理的 基本知识点，定制以蓝牙的射频、基带技术为主要内容的蓝牙无线通信教学实验 项目。 关键词：蓝牙技术射频技术和基带技术模块化设计蓝牙模块蓝牙无线通信 教学实验 a b s t r a c t o p e r a t i n gi n2 4 g h zl s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i c ，m e d i c i n e ) b a n d ，b l u e t o o t hs y s t e m s u p p o r t sl o w e rp o w e r , l o w e rc o s t , s a f ea n dc r e d i b l ew i r e l e s sa c c e s sw a y i tm a k e s p e r s o n a ld i g i t a ld e v i c e sm o v e a b l ea n dc r e a t e sap e r f e c tw i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k ( w p a n ) t l l i sp a p e rd e s c r i b e dr a d i of r e q u e n c y t e c h n o l o g y a n db a s e b a n d t e c h n o l o g y p a r t i c u l a r l y , w h i c hw e r et h eb a s ea n dc o r eo fb l u e t o o t hs y s t e m i tw a sn e c e s s a r yt o g r a s pt h er a d i of r e q u e n c ya n db a s e b a n dt e c h n o l o g i e sb e f o r ey o uc a na p p l y b l u e t o o t ht e c h n o l o g ya l lr i g h t b l u e t o o t hr ft e s ts p e c i f i c a t i o nw o u l df u l l yc o m f o r m t ot h er a d i of r e q u e n c yt e c h n o l o g y , w h i c hw a sam o s ti m p o r t a n tp r o c e s si nb l u e t o o t h r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n b a s e b a n dt e c h n o l o g yd e f i n e dc h a n n e lc o n t r o l ，p a c k e tf o r m a t ， h o p p i n gs e l e c t i o na n ds oo n b a s e do nm o d u l a r i z a t i o nd e s i g nm e t h o d ，t h i sp a p e rf i n i s h e dt t b10 2b l u e t o o t h m o d u l ea n d 订b10 3b l u e t o o t hm o d u l e b l u e t o o t hm o d u l ei n t e g r a t e db l u e t o o t hi c a n dg e n e r a lo u t e rc i r c u i t s ，m i n i m i z e dt h ed e m i s i o no fp c b ，d e f i n e dt h eb e s tm o d u l e i n t e r f a c ea n dp a c k a g e ，f i n i s h e dm a i nr fc i r c u i ta n dt e s tp r o c e s s t t b10 2b l u e t o o t h m o d u l ew a sd e s i g n e dm a i n l yf o rb l u e t o o t hm o u s ea n du s bd o n g l e t t b10 3m o d u l e w a su s e di nd i f f e r e n ta p p l i c a t i o nb a s m go nd i f f e r e n tb l u e t o o t hi c t t b10 3c a nb e a p p l i e di nb l u e t o o t hh e a d s e tu s i n gb c 2 - a u d i o ，a n db ea p p l i e di nb l u e t o o t hu s b d o n g l eu s 洫gb c 3 - r o m t l l i sp a p e rd e v e l o p e db 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 nt e a c h i n gl a b o r a t o r yb a s i n g o nm10 2b l u e t o o t hm o d u l e i tc l e f i n e dt h es 0 窍懈a n dh a r d w a r em o d e lo f b l u e t o o t hl a b o r a t o r y , d e v e l o p e dr e l a t e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r ee q u i p m e n t s f s m o r e ，i td e s i g n e dt h eb l u e t o o t he x p e r i m e n tc l a s s e st a k i n gb l u e t o o t hr a d i of r e q u e n c y a n db a s e b a n dt e c h n o l o g i e sa sm a i np r a c t i c ec o n t e n t sa n dc o m b i n i n ge n t i r e l yw i t l lt h e b a s i ck n o w l o d g e so fc o m m u n i c a t i o nt h e r o y k e yw o r d s 、：b l u e t o o t ht e c h n o l o g y , r ft e c h n o l o g ya n db a s e b a n dt e c h n o l o g y , m o d u l a r i z a t i o nd e s i g n , b l u e t o o t hm o d u l e ，b 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 t e a c h i n ge x p e r i m e n t 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和取褥的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞基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做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：荔虱驻 签字瞧沙歹年，月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫姿态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作：荔爨扛 签字日期。扩年， 月和日 导师签名： 签字日期：d 厂年f 月p 日 天津大学硕士学位论文 第一豪绪论 1 1 引言 第一章绪论 蓝牙技术作为电子设备无线互联的廉价和可靠的技术实现方式，可以作为现 有移动设备中的小型、廉价、短距离的无线数据收发机。蓝牙技术的发展和完善 经历了较长的时间过程，从创立之处起逐步完善和发展了技术标准，优化和扩大 了应用领域，进一步提高了无线通信的可靠性和安全性。 现在，蓝牙芯片价格已经低于5 美元的预期目标，正逐步被大规模市场化运 作，特别是蓝牙耳机、蓝牙适配器等产品市场化运作较为成功，蓝牙技术的新一 个发展机遇已经来临。基于蓝牙芯片开发相应的模块是该技术应用的最佳途径， 有利于提高效率、降低成本、增加结构设计的灵活性，特别是模块已经集成了射 频电路从根本上解决了模块应用的技术难题，更有利于形成优势互补的产业链， 推动了蓝牙技术的快速发展。 1 2 本论文完成的工作 本文首先研究了基带技术和射频技术，分析了射频、链路和测试等蓝牙技术 的相关内容，阐述了蓝牙无线通信教学实验系统的主要教学内容。与此同时，结 合无线通信系统的一般特征，理解和掌握射频技术和基带技术，为今后学习和应 用其它无线通信技术奠定了良好的基础，具有典型的代表意义。 在完成射频技术和基带技术的基础上，本文设计了t t b l 0 2 和t t b l 0 3 两个 蓝牙模块，提出了模块化设计思路，完成了原理圈、p c b 、模块对外接口定义和 封装、测试方案等设计工作，并通过测量提交射频测试报告。1 国1 0 2 是基于c s r 蓝牙芯片b c 2 1 2 0 1 5 b d n 的模块设计，该芯片是c s r 蓝牙芯片系列中最具代表 性、最具兼容性、功能最强的模块方案，本文将t t b l 0 2 蓝牙模块用于蓝牙鼠标。 基于兼容性设计思路，t t b l 0 3 是专门为蓝牙耳机定制韵模块，同时兼容蓝牙u s b 适配器。 本文针对蓝牙教学实验系统的教学目标，确定了相应的实验室系统模型，设 计了硬件和软件系统，确定了具体的实验课内容，在蓝牙团队成员的共同努力下， 完成了部分实验课的程序设计。 天律大学硕士学位论文 第二章蓝牙技术简介 第二：章蓝牙技术简介 蓝牙的英文名称是b l u e t o o t h ，是1 9 9 8 年由e r i c s s o n 、i b m 、i n t e l 、n o k i a 、 t o s h i b a 等5 家公司联合发起制订的低成本、低功耗、短距离无线通信技术，1 作在全球通用的2 4 g h zi s m ( 工业、科学、医疗) 频段，目标建立最高数据传 输速率1 m b s ( 最新版蓝牙标准为2 m b s ) 、最大传输距离为1 0 0 m 的无线数据和 语音通信链路，替代移动设备、同定设备之间的近距离连接电缆，建立真真意义 的无线个人局域网( w p a n ) 。 b l u e t o o t h 原为欧洲中世纪丹麦匿王h a r a l di i 的名字，他为统一四分五裂的 瑞典、芬兰、丹麦立下了不朽的功勋。所以采用b l u e t o o t h 命名希望使该技术 成为全球统一的标准，蕴涵一统天下的意义。 2 3 蓝牙技术标准 蓝牙技术标准经历了不断完善和发展的过程，蓝牙国际组织一一特殊利益集 团( s i g ) 制订了不同版率的蓝牙标准，区分蓝牙产品首先应该关注该产品符食 的技术版本。蓝牙技术标准制订时间腰序如下【l 】： ( 1 ) 2 0 0 4 年n 月4 日，2 0 + e d r 版标准； ( 2 ) 2 0 0 3 年1 1 月5 日，1 2 版标准； ( 3 ) 2 0 0 1 年2 月2 2 日，1 1 版标准i ( 4 ) 1 9 9 9 年1 2 月1 日，1 o b 版标准： ( 5 ) 1 9 9 9 年7 月2 6 日，1 o a 版标准，第一个对外公布的标准： ( 6 ) 1 9 9 9 年7 月5 日，1 0 版标准草案： ( 7 ) 1 9 9 9 年4 月3 0 目，0 9 版标准： ( 8 ) 1 9 9 9 年1 月2 1 日，0 8 版标准； ( 9 ) 1 9 9 8 年1 0 月1 9 日，0 7 版标准。 本论文以蓝牙标准1 2 版为准。 2 4 蓝牙技术参数 蓝牙技术采用1 6 0 0 h o p s 的跳频扩频通信技术，能在特殊模式下支持 蓝牙技术采用1 6 0 0 h o p s 的跳频扩频遗信技术，能在特殊模式下支持 天津大学硕士学位论文 第二章蓝牙技术简介 第二章蓝牙技术简贪 蓝牙的英文名称是b l u e t o o t h ，是1 9 9 8 年由e r i c s s o n 、i b m 、i n t e l 、n o k i a 、 t o s h i b a 等5 家公司联合发起制订的低成本、低功耗、短距离无线通信技术，工 作在全球通用的2 4 g h zi s m ( 工业、科学、医疗) 频段，目标建立最高数据传 输速率1 m b s ( 最新版蓝牙标准为2 m b s ) 、最大传输距离为1 0 0 m 的无线数据和 语音通信链路，替代移动设备、固定设备之间的近距离连接电缆，建立真真意义 的无线个人局域网( w 黔n ) 。 b l u e t o o t h 原为欧洲中世纪丹麦国王h a r a l di i 的名字，他为统一四分五裂的 瑞典、芬兰、丹麦立下了不朽的功勋。所以，采用b l u e t o o t h 命名希望使该技术 成为全球统一的标准，蕴涵一统天下的意义。 2 3 蓝牙技术标准 蓝牙技术标准经历了不断完善和发展的过程，蓝牙国际组织特殊利益集 团( s i g ) 制订了不同版本的蓝牙标准，区分蓝牙产品首先应该关注该产晶符合 的技术版本。蓝牙技术标准制订时阀顺序如下【l 】： ( 1 ) 2 0 0 4 年1 _ 1 月4 日，2 o + e d r 版标准； ( 2 ) 2 0 0 3 年1 1 月5 日，1 2 版标准； ( 3 ) 2 1 年2 月2 2 日，版标准； ( 4 ) 1 9 9 9 年1 2 月1 日，1 o b 版标准； ( 5 ) 1 9 9 9 年7 月2 6 日，1 o a 版标准，第一个对外公布的标准： ( 6 ) 1 9 9 9 年7 月5 日，1 0 版标准草案： ( 7 ) 1 9 9 9 年4 月3 0 日，0 9 版标准； ( 8 ) 1 9 9 9 年1 月2 1 日，0 。8 版标准； ( 9 ) 1 9 9 8 年1 0 月1 9 日，0 7 版标准。 本论文以蓝牙标准1 2 版为准。 2 4 蓝牙技术参数 蓝牙技术采用1 6 0 0 h o p s 的跳频扩频通信技术，能在特殊模式下支持 天津大学硕士学位论文 第二章蓝牙技术简介 3 2 0 0 h o p s 跳频速率；引入电路交换和分组交换方式，实现同时承载数据和语音 业务：支持多种功耗模式，适合应用予电池供电的数字设备。1 2 版蓝牙技术釜 要参数如表1 1 。 表1 一l1 2 版蓝牙基本技术参数 工作频段2 4 0 2 m h z 2 4 8 0 m h z 双工方式t d d ( 时分双工) 调制技术g f s k ( 高斯频移键控) 业务类型 电路交换和分组交换 跳频速率 16 0 0 h o p s 工作模式p a r k ( 休眠) h o l d ( 保持) s n i f f ( 呼吸) 连接方式面向连接方式的s c o 和面向无连接韵a c l 纠错方式 1 3 f e c 、2 3 f e c 、a r q 信道加密0 位、4 0 位、6 0 位加密字符 语音编码 c v s d 通信距离1 0 m 或者1 0 0 m 2 5 蓝牙网络模式 蓝牙技术具备一定的组网能力，符合蓝牙技术设计初衷。它有三种主要的网 络模式，分别为点对点模式、点对多点的匹克网( p i c o n e t ) 模式和多个匹克网组 成的散射网( s e a t t e m e t ) 模式【2 】。 2 5 1 点对点模式 两个蓝牙设备之间建立点对点数据、语音连接，如图2 一l ( a ) 所示，其中 一个蓝牙设备作为主设备( m a s t e r ) ，另一个作为从设备( s l a v e ) ，由主设备实施 网络的管理。 天津大学硕士学位论文 第二章蓝牙技术简介 2 。5 2 匹克网模式 图2 1 蓝牙网络模式 一个蓝牙设备同时和多个蓝牙设备之间建立数据、语音的点对多点连接，形 成个匹克网( p i c o n e t ) ，如图2 1 ( b ) 所示。一个主设备可以和最多七个从 设备建立连接，由该主设备实施网络的管理。 2 5 3 散射网模式 由多个匹克网组成一个散射网( s c a t t e r r n e t ) ，实现不同匹克网内设备之间 的互通，如图2 一l ( c ) 。在散射网中，某个蓝牙设备可以成为一个匹克网的主 设备同时又是另一个匹克网的从设备，从而实现多个蓝牙设备的有效互连。 2 6 蓝牙标准实现方式 蓝牙技术具有完善的标准体系结构，分为核心协议( c o r e ) 和各种应用框架 ( p r o f i l e ) 。应用蓝牙技术的关键将是如何芷确、高效地运行蓝牙技术标准。根 据不同的应用模型，实现标准分为三种方式：h c i 方式、r f c o m m 方式、嵌入 式方式。 天津大学硕士学位论文 第三章射频技术和基带技术 第三章射频技术和基带技术 射频( r a d i of r e q u e n c y ) 技术和基带( b a s e b a n d ) 技术是蓝牙技术的基础和 核心。如何正确地理解和掌握射频技术和基带技术是应用该技术的前提；蓝牙技 术研发和生产过程中的重要内容射频测试完全符合该射频技术标准：基带技 术定义了信道控制、分组格式、纠检错机制、跳频选择、安全技术等内容。 3 1 射频技术 3 1 1 概述 射频技术主要完成以下功能： ( 1 ) 与工作同一频段的其它设备兼容； ( 2 ) 确保q o s 3 。 蓝牙工作在无需申请的2 4 g h zi s m ( 工业、科学、医疗) 频段，采用跳频收 发信机以减小干扰和衰减，采用二进制f m 调捌以降低收发信机的复杂度，采用 t d d 全双工方案以实现数据和语音的实时通信。 3 1 2 频带和信道分配 蓝牙工作在2 4 g h zi s m 频段，该频段范围为：2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z 。蓝牙技术 使用间隔为i m h z 的7 9 个射频信道，如表3 一l 所示，低端和高端的保护频带分 别为2 舭和3 5 舭。 i s m 频带蓝牙射频信道 2 4 0 0 - - , 2 4 8 3 5 z f = 2 4 0 2 + km l z , z , k = 0 ，i ，7 8 3 1 3 发射机特性 3 1 3 1 发射功率 区分不同的蓝牙设备首先应该确定该设备的发射功率等级，不同的功率等级 需要不同的射频解决方案。根据天线连接处测得的发射功率大小，将蓝牙设备分 为三类，如表3 - - 2 所示。 天津大学硕士学位论文 第三章射频技术和基带技术 最大输出功率典型输出功率最小输出功率 c l a s s ( p m a x )( p n o m )( p m i n ) l10 0m w ( 2 0 d b m )n alm w ( 0 d b m ) 22 5m w ( 4 d b m )1m w ( 0 d b m ) 0 2 5 m w ( 6 d b m ) 31m w ( 0 d b m )n an 久 与此同时，也可以用通信距离表述功率输出等级，1 0 0 m 通信距离表示c l a s s 1 蓝牙设备，1 0 m 通信距离表示c l a s s2 蓝牙设备。一般蓝牙耳机、蓝牙鼠标、 蓝牙车载免提等设备只需c l a s s2 功率水平，对于蓝牙u s b 适配器可以设计c l a s s 1 或者c l a s s2 功率水平，视应用场合而定，不同功率等级的蓝牙设备之间通信 可能出现无法预料的问题。 c l a s sl 设备必需要实施功率控制，对发射功率大于4 d b m ，根据实时测量接 收信号强度指示( r s s i ) 数据比较功率控制表，以通知对方降低或者增加发射功 率。功率控制可以优化功率消耗水平、降低相互干扰。对发射功率低于4 d b m 的 c l a s s2 设备可以选择实施功率控制，同样可以优化功率消耗水平、降低干扰， 当然可以不采取功率控制。 在连接状态、寻呼、查询等状态，c l a s s1 翔c l a s s2 蓝牙设备之间通信，可 能由于c l a s sl 发射功率大、距离太近而使c l a s s2 设备无法正常接收数据。在这 种情况下，应将c l a s sl 设备功率水平控制在c l a s s2 水平，这一点也是蓝牙技术 开发过程、调试过程中必须关注的问题。 一旦引入功率控制机制，蓝牙技术开发应用时需要定制功率控制表，向系统 提供一个步进规律，系统读取r s s i 值后，根据该表来通知对方加大或者降低发 射功率、步进值等。蓝牙技术对功率表步进值有明确的规定，最大8 d b ，最小 2 d b 。 3 1 3 2 调制特性 蓝牙采用g f s k ( 离颠频移键控) 调制技术，调制系数位于0 2 8 - 4 ) 3 5 之间， 采用1 6 0 0 h o p s ，即0 。6 2 5 m s 时间段位于同一个频点，用正频偏代表逻辑l ，负频 偏代表逻辑o ，从而实现频移键控技术。蓝牙r f 中重要测试指标为频率偏移范 围。如图3 1 所示g f s k 眼图参数，横轴为时间，纵轴为频率。t r a n s m i t f r e q u e n c y f t ( 载波) 表示1 6 0 0 h o p s 的某一个跳频点，f d 标志逻辑l 或者o 的频率偏移， z e r oc r o s s i n g 表示过零点位置。图3 1 有以下几个要点： ( 1 ) 保证t r a n s m i tf r e q u e n c yf t ( 载波) 稳定度，该稳定度有两个指标： ( a )i n i t i a lc a r d e rf r e q u e n c yt o l e r a n c e ，表示系统不发送数据分组时 天津大学硕士学位论文第三章射频技术和基带技术 的载波稳定度，要求小于7 5 k h z ； ( b )c a r d e rf r e q u e n c yd r i f t ，表示发送数据分组时隙内的载波漂移， 根据分组长度不同有不同的要求，具体参数如表3 3 。 ( 2 )f d 正常范围为1 4 5 k h z 1 7 5 k h z ： ( 3 ) z e r oc r o s s i n ge r r o r 低于t 8 符号周期。 分组类型载波漂移 一个时隙分组( d h l ) 2 5 k h z 三个时隙分组( d h 3 ) 4 0 k h z 五个时隙分组( d h 5 ) 4 0 k h z t r l t r m m l t f t e q u l m c y f t h z 簟oc r o n t a g 。 、 l一厂轴 ， 。 一 _ 一 z e me m 鼬魄e r r o r 图3 1g f s k 参数 3 1 3 3 杂散功率 蓝牙技术对射频信号带外噪声有明确的规定。理论上要求载波在哪个频点， 应该发射在哪个频点，但工程上是无法实现，不可能是纯粹的载波频率信号，可 能包含l 涵近频段的信号，而该临近频段的信号可能对附近信道特性产生影响。蓝 牙系统对该干扰信号进行的参数限制为：首先，- - 2 0 d b m 频带范围，即从最大 功率值所在的频点分别从两端沿频谱走向减小2 0 d b m 后的确定两个频点位置， 要求计算该两点间隔小于1 m h z ；其次，对绝对功率水平有明确的定义，对于发 射载波偏移2 m h z 后的信号功率低予- - 2 0 d b m ，对于偏移大于等于3 m h z 后的信 号功率低于一4 0 d b m 。 天津大学硕士学位论文第三章射频技术和基带技术 3 1 4 接收机特性 蓝牙系统接收机灵敏度电平为- - 7 0d b m ，保证b e r 、 0 1 。接收机特性主 要从抗干扰性能、抑制频带外噪声和互调特性三方面考虑。分别通过s e n s i t i v i t y 。 o n es l o t p a c k e t s ( 单时隙灵敏度) 、s e n s i t i v i t y - m u l t i s l o t p a c k e t ( 多时隙灵敏度) 、 b l o c k i n gp e r f o r m a n c e ( 抑制带外噪声性能) 、i n t e r m o d u l a t i o np e r f o r m a n c e ( 互调 特性) 等项目来测试是否满足b e r 弋0 1 。 3 2 基带技术 蓝牙技术支持点对点和点对多点的连接。在点对点连接时，两个设备共同分 享一个物理信道：在点对多点连接时，一个主设备和最多七个从设备形成一个匹 克网( p i c o n e t ) ，多个设备共同分享一个物理信道，由主设备控制和管理物理信 道；多个匹克网组成一个散射网( s c a t t e r n e t ) ，但是每一各匹克网内部设备仍然 共享一个物理信道。 蓝牙技术支持的空中基带数据分组格式如图2 2 ，该分组分为三部分，包 括a c e s sc o d e ( 识别码) 、h e a d e r ( 分组头) 、p a y l o a d ( 负载) 。 图3 2 基带数据分组格式 3 2 1 蓝牙时钟 蓝牙时钟稳定度、精度对系统的正确运行至关重要，直接影响射频性能，需 要对每一个出产的蓝牙产品进行时钟校准。通过调节p s k e y 中的t r i m 值来调整 时钟，在测试流程中会有一个操作用于校准蓝牙时钟。 每一个蓝牙设备都有一个本地时钟，该时钟不受外部任何因素影响，为了实 现与其它蓝牙设备保持时钟同步，只需要在本地时钟基础上加上实时偏移 ( o f f s e t ) 。蓝牙时钟采用2 8 位的计数器实现，计数周期位3 1 2 5l as ，即3 2 k h z 。 以此同时，蓝牙时钟计数器有几个关键位变化对蓝牙系统产生影响：c l k o ， c l k l ，c l k 2 ，c l k l 2 ，分别对应3 1 2 5k ts ，6 2 5us ，1 2 5 m s 和1 2 8 s 。蓝牙时钟计 数器如图3 3 所示。 天津大学硕士学位论文 第三章射频技术和基带技术 3 2 2 蓝牙设备地址 图3 3 蓝牙时钟计数器 每一个蓝牙设备都需要分配一个不同4 8 一b i t s 的蓝牙设备地址 ( b d a d d r ) 。如图3 - - 4 蓝牙地址格式，包括l a p 、u a p 、和n a p 三部分。 l a p 称为低位地址，长度2 4 b i t s ；u a p 称为离位地址，长度8 b i t s ：n a p 称为无 意义地址，长度1 6 b i t s 。2 4 b i t sl a p 称为公司分配号( c o m p a n y _ a s s i g n e d ) ，u a p 和n a p 合起来总共2 4 b i t s 称为公司i d ( c o m p a n y _ i d ) 【7 】。 图3 4 蓝牙地址格式 蓝牙设备地址段需要从i e e er e g i s t r a t i o na u t h o r i t y 注册申请 ( w w w i e e e o r g ) ，其中三个字节的公司i d ( c o m p a n y 由 统一分配、i d ) i e e e 管理，而三个字节的公司分配号( c o m p a n y 由蓝牙设备生产厂商自行 分配。即蓝牙设备制造商需要向 申请_assign的ed)ieee 2 4 b i t s c o m p a n y j d ，然后自行分配 低端2 4 b i t s 。同样道理，可以根据蓝牙地址中的c o m p a n y 识别该设备的制造 商，在网站查出对应的公司名称_ i 。d w w w i e e c o r g c o m p a n y 支付一定的费用申 请一个可以用于， 个蓝牙i d c o m p a n y设备地址分配。i d 1 60 0 0 0 0 0 但是，注意蓝牙设备又保留了“个l a p 地址用于查询操作，不能用于蓝牙 设备地址分配，该l a p 地址段为o 】( 9 e 8 b ( 胁阪9 e 8 8 3 f 。 3 2 - 3 物理信道 一个伪随机跳频序列标志蓝牙物理信道，跳频序列由蓝牙地址的u a p 和 天津大学硕士学位论文 第三章射频技术和基带技术 l a p 决定，序列的相位由蓝牙时钟决定。物理信道被分成以时隙为单位的时间 段，由跳频选择内核( s e l e c t i o nb o x ) 决定某个时隙所处的频点位置，在连接 状态跳频速率为1 6 0 0 h o l d s ，而在查询( i n q u i r y ) 和寻呼( p a g e ) 子状态，跳频 速率为3 2 0 0 h o p s 。蓝牙物理信道主要有： ( 1 ) 基本匹克网物理信道； ( 2 ) 自适应匹克网物理信道； ( 3 ) 寻呼扫描物理信道： ( 4 ) 查询扫描物理信道。 蓝牙设备处于连接状态时，缺省使用( 1 ) 基本匹克网物理信道，在信道条 件不一致情况下，可以使用( 2 ) 自适应匹克嚼物理信道。基本匹克网物理信道 由主蓝牙设备的决定，它的蓝牙地址和时钟决定伪髓帆跳频序列的跳频规律，通 过轮询方案实现对匹克网物理信道的流量控制。主蓝牙设备是指通过发起寻呼请 求并且成功建立连接的设备，从蓝牙设备是指被连接设备，连接建立后，主从熊 色同样可以交换。基本匹克网物理信道将时间分成6 2 5l as 长度的时隙，以t d d 方式实现主从设备之间的通信，如图3 5 主从设备之间采用t d d 方式的多时隙 分组通信。 图3 5 主从设备之闾多时隙分组通信 自适应匹克网物理信道使用自适应跳频选择序列，即跳过某些物理信道条件 较差的射频信道，有利于增加无线通信可靠性和兼容性。自适应物理信道至少使 用2 0 个射频信道，它与基本匹克网物理信道有两点不同： ( 1 ) 在从主时隙，与先前主从时隙使用相同的射频信道，如图3 6 所示； ( 2 ) 可能使用少于7 9 个射频信道。 天津大学硕士学位论文 第三章射频技术和基带技术 l _ 一一一一一_ 一一- _ 一_ 图3 6 从主时隙与前一个主从时隙使用相同r f 信道 3 2 4 跳频选择 蓝牙设备使用跳频选择内核( s e l e c t i o nb o x ) 产生六种伪随机跳频序列，五 种为基本跳频序列，一种为自适应跳频序列( a f h ) ，这些序列类型如下： ( 1 ) 寻呼跳频序列( p a g e ) ； ( 2 ) 寻呼响应跳频序列( p a g er e s p o n s e ) ； ( 3 ) 查询跳频序列( i n q u i r y ) ： ( 4 ) 查询响应跳频序列( i n q u i r yr e s p o n s e ) ； ( 5 ) 基本信道跳频序列( b a s i c ) ； ( 6 )自适应信道跳频序列( a f h ) 。 3 2 4 1 通用选择框图( s e l e c t i o nb o x ) 如图3 7 跳频选择方案框图，输入参数决定信道系数，这些输入参数包括 2 7 b i t s 蓝牙时钟、2 8 b i t su 朋r ，l a p ( l a p 和u a p 低的4 b i t s ) 、f r o z e nc l o c k 、n ， k o f f s e t 、s e q u e n c es e l e c t i o n ( 序列类型) 和a f hc h a n n e lm a p ( 自适应跳频图案) 。 图3 7 跳频图案选择框图 天津大学硕士学位论文 第三章射频技术和基带技术 3 2 4 2 基本跳频序列选择内核 如图3 8 基本跳频图案选择内核，是寻呼( p a g e ) 、寻呼响应( p a g e r e s p o n s e ) 、查询( i n q u i r y ) 、查询响应( i n q u i r yr e s p o n s e ) 和基本( b a s i c ) 跳频 序列的选择内核，输入参数有x 、y 1 、y 2 、a 、b 、c 、d 、e 、f 。x 输入决定 跳频序列的相位：y 1 和y 2 选择主从和从主时隙；a d 决定段内顺序( 将7 9 个 跳频点分成3 2 个点组成的多个段) ；e f 决定跳频序列和跳频点的对应关系。 选择内核依次由a d d ( 加法器) 、x o r ( 异或器) 、p e r m 5 ( 蝶行序列运算) 、 a d d ( 加法器) 组成。其中，加法器将两个数相加，模3 2 ( 第一加法器) 或者 7 9 ( 第二个加法器) ；异或操作将对应位进行异或；p e l 泓s 如图3 9 所示，z 4 z o 代表图3 8 中p e 蹦s 左边x o r5 b i t s 输入，其中z 0 表示低位，p 1 3 p 9 代表图 3 8 中p e r m s 上部c 和y lx o r 产生的5 b i t s 数据，p g - p o 代表图3 8 中p e 蹦s 上部9 b i t sd 输入。丽图3 9 中的单个蝶行运算如图3 一1 0 所示，由两个选择器 组成，两输入、两输出、一控制；当p 为0 时，输出等于输入；当p 为1 时，输 出和输入反向。 x 、y 1 等参数由跳频图案选择框图的输入参数产生，例如连接状态时，x 为蓝牙时钟的第2 到6 位，其它参数类同。 图3 8 基本跳频图案选择内核f 8 】 天津大学硕士学位论文第三章射频技术和基带技术 图3 9p e 鼢v l s 运算 p 图3 1 0 蝶行运算 3 2 4 3 自适应跳频选择内核 自适应跳频选择内核基于基本跳频选择内核，除了a f i - i _ c h a n n e l _ m a p ( 自适 应跳频图案) 输入参数，与基本跳频序列选择内核有相同的选择参数。 a f hc h a n n e lm a p 用于指示哪个射频信道可以使用、哪个射频信道不能使用。在 自适应跳频选择下，可以使用射频信道可能少于7 9 个，但是不能少于2 0 个。 自适应跳频图案选择先通过基本跳频选择内核产生射频信道选择参数，比较 a f hc h a n n e lm a p 是否可以被使用，如果可以则使用该射频信道，否则通过自适 应跳频选择算法，重新选择一个新的射频信道。 3 2 5 逻辑传输 在主从蓝牙设备之间建立不同类型的逻辑传输链路，总共有五种不同类型的 逻辑传输： ( 1 ) 面向同步连接( s c o ) 的逻辑传输； 天津大学硕士学位论文 第三章射频技术和基带技术 ( 2 ) 扩展的面向同步连接( e s c o ) 的逻辑传输： ( 3 ) 面向异步连接( a c l ) 的逻辑传输； ( 4 ) 活动从设备广播( a s b ) 逻辑传输； ( 5 ) 休眠从设备广播( p s b ) 逻辑传输。 s c o 逻辑传输是在匹克网中点对点的逻辑传输，一般用于语音、同步数据 等对延时有严格限制的业务，主设备通过保留时隙来保持s c o 。e s c o 逻辑传输 不但具有保留时隙，而且在保留时隙之后设立重传窗口以加强可靠性。 a c l 逻辑传输同样是在主从设备之间建立点对点逻辑传输，但只能在非保 留时隙，主设备可以和多个从设备建立a c l 逻辑传输。 a s b 逻辑传输用于主设备与活动从设备进行通信，而p s b 逻辑传输用于主 设备与休眠从设备进行通信。 3 2 6 分组 蓝牙基带分组通用格式如图3 1 l 所示，分为三部分：a c e s sc o d e ( 识别码) 、 h e a d e r ( 分组头) 、p a y l o a d ( 负载) 。左边为低位( l s b ) ，右边为高位( m s b ) ， 低位比特先发送。a c c e s sc o d e 长度为7 2 b i t s ，h e a d e r 长度为5 4 b i t s ，p a y l o a d 最 长可以达2 7 4 5 b i t s 。部分分组只由有a c c e s sc o d e ，分组长度为6 8 b i t s 。 图3 1 l 蓝牙基带分组通用格式 面向同步连接( s c o ) 的逻辑传输有n u l l 、p o l l 、f h s 、d m l 、h v l 、 h v 2 、h v 3 、d v 分组；扩展的面向同步连接( e s c o ) 的逻辑传输有n u l l 、p o l l 、 e v 3 、e v 4 、e v 5 分组：面向异步连接( a c l ) 的逻辑传输有n u l l 、p o l l 、 f h s 、d m l 、d h l 、d h 3 、d h 5 、d m l 、d m 3 、d m 5 、a u x l 分组。i d 、n u l l 、 p o l l 、f h s 为链路控制分组，该类分组统计信息如表3 4 所示；d m l 、d h l 、 d h 3 、d h 5 、d m l 、d m 3 、d m 5 、a u x l 为a c l 分组，该类分组统计信息如表 3 5 所示；h v l 、h v 2 、h v 3 、e v 3 、e v 4 、e v 5 为同步语音分组，该类分组统 计信息如表3 6 所示。i d 分组没有负载，用查询操作；n u l l 分组没有负载， 用于返回a r q n ( 确认) 信息；p o l l 分组没有负载，用于轮询多个蓝牙从设备； f h s 分组用于在链路建立过程中传递主设备跳频同步信息。 天津大学硕士学位论文 第三章射频技术和基带技术 表3 4 链路控制分组 类型 负载( b y t e s ) f e cc r c对称速率非对称速率 i dn an an a n a n a n u l ln an an a n a n a p o l ln an an an an a f h s1 82 3 y e s n a n a 表3 5 同步语音分组 负载头负载对称速率非对称速率( k b s ) 类型 f e cc r c ( b y t e s )( b y t e s ) ( k b s ) 前项后向 d m l l0 - 1 72 3 y e s 1 0 8 8 1 0 9 81 0 8 8 d h llo _ 2 7n 0 y e s 1 7 2 81 7 2 81 7 2 8 d m 3 20 1 2 12 3 y e s 2 5 8 13 8 7 25 4 4 d h 32o 1 8 3 n 0 y e s 3 9 0 45 8 5 68 6 。4 d m 520 2 2 42 3 y e s 2 8 6 74 7 7 83 6 3 d h 52 0 3 3 9 n 0 y e s 4 3 3 97 2 3 25 7 6 a u x l1o 2 9n on 0 1 8 5 61 8 5 。61 8 5 6 表3 6a c l 分组 负载头负载 类型 f e cc r c对称速率( k b s ) ( b y t e s )( b y t e s ) h v ln