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哈尔滨理工人学丁学硕士学位论文 具有语音提示功能的车载蓝牙免提系统的硬件设计 摘要 随着现代嵌入式技术的广泛应用，车载系统正向智能化、信息化和网络 化方向发展。蓝牙通信技术凭借其低成本短距离无线接入技术的优势，已经 在汽车系统中得到了广泛的应用。但是目前的车载蓝牙终端都是依靠显示来 完成人机交互，这种方式的缺点是显而易见的：使用时驾驶员必须去查看蓝 牙免提系统的显示屏以确定来电人的姓名及号码，这必然导致驾驶员分心， 从而导致交通事故发生。语音交流是人类最自然的交流方式之一，利用语音 合成技术播放语音，将明显助于减少交通事故的发生率。 本文根据课题背景以及汽车电子市场的需求提出了具有语音提示功能的 车载蓝牙免提的总体硬件设计方案，对硬件电路总体设计的各个单元电路设 计进行了详细的论述，逐步完成了电源单元、锂电池充电单元、微处理器单 元、车载蓝牙免提单元、语音合成单元、回声消除和功放单元电路的设计工 作，并完成了回声消除芯片的驱动开发过程。最后就电子设计中会产生电磁 干扰的问题，根据抑制电磁干扰的布局布线基本原则进行了印制电路板的设 计。 经过测试与实践，证明本文所介绍的设计方案适合车载免提系统后装市 场需求。测试结果证明，系统在低能耗等方面都较现有车载免提系统方案有 所提高。 关键词车载免提；蓝牙；语音合成；回声消除 哈尔滨理t 大学_ 学硕士学位论文 置鼍置鼍詈暑詈詈鲁暑詈詈皇穹暑皇詈暑詈詈皇! 暑詈詈皇詈皇詈皇詈詈詈= 詈皇詈皇皇詈! = 穹詈詈詈暑暑詈暑詈詈毫詈暑詈詈= 詈鼍! 詈= = 鼍md 詈詈詈皇暑穹詈暑暑昌暑詈鲁詈詈喜詈昌兽詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈 h a r d w a r e d e s i g n o fy e h i c l eb l u e t o o t hh a n d s - - f r e e s y s t e mw i t hv o i c ep r o m p t f u n c t i o n a b s t r a c t w i t haw i d e l y a p p l y i n gt h em o d e r ne m b e d d e dt e c h n o l o g y , a u t o m o b i l e s y s t e m sa r eb e c o m i n gi n t e l l i g e n t ，i n f o r m a t i o n b a s e da n dn e t w o r k e d b l u e t o o t h t e c h n o l o g y , w i t hi t sa d v a n t a g eo fl o w c o s t ，s h o r t - d i s t a n c ea n dw i r e l e s s ，h a sb e e n w i d e l yu s e di nt h ev e h i c l es y s t e m b u tam a j o r i t yo fb l u e t o o t hh a n d s f r e e t e r m i n a l si n t e r a c th u m a nb yo n - b o a r dd i s p l a y , a n dt h e i r s h o r t c o m i n g sa r e o b v i o u s l y ：d r i v e rh a st om a k es u r et h ec a l l e r sn a m ea n dp h o n en u m b e ro nt h e d i s p l a y , w h i c hw i l lc e r t a i n l yl e a dt oh i sd i s t r a c t i o n ，a n de v e nw o r s el i k et r a f f i c a c c i d e n t s v o i c ei so n eo ft h em o s tn a t u r a li n t e r c o m m u n i o na m o n gh u m a nb e i n g s s p e e c hs y n t h e s i st e c h n o l o g yw i l lb eo b v i o u s l yh e l p f u li nr e d u c i n gt h ei n c i d e n c e o ft r a f f i ca c c i d e n t s i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h eb a c k g r o u n do ft h es u b j e c ta sw e l la sm a r k e t d e m a n df o ra u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s ，ak i n do fv e h i c l eb l u e t o o t hh a n d s f r e es y s t e m w i t hv o i c ep r o m p tf u n c t i o ni sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，a n dt h e nt h ed e t a i l so fo n b o a r dd e v e l o p m e n tw o r kf o re a c hu n i ta r ed e s c r i b e d t h en e c e s s a r yc i r c u i t d e s c r i p t i o n so fp o w e ru n i t ，l ib a t t e r yc h a r g e ru n i t ，v e h i c l eb l u e t o o t hh a n d s - f r e e u n i t ，s p e e c hs y n t h e s i su n i t ， e c h oc a n c e l l a t i o nu n i ta n da m p l i f i e ru n i ta r e p r e s e n t e dl a t e r , a sw e l la st h ed e v e l o p m e n to fd r i v e rf o re c h oc a n c e l l a t i o nc h i p a n dt h e nt h ed e s i g no fm yp c bf i l e si sd e s c r i b e d ，w h i c hi sa c c o r d i n gt os o m e b a s i cp r i n c i p l e sa b o u te m c t h ec o n c l u s i o no ft e s ta n dp r a c t i c ep r o v e st h a tt h ed e s i g ni ss u i tt om a r k e t d e m a n do fv e h i c l eb l u e t o o t hh a n d s - f r e es y s t e m t e s tr e s u l t ss h o wt h a tl o wp o w e r c o n s u m p t i o no ft h es y s t e mh a v ei m p r o v e dt h a ne x i s t i n gh a n d s f r e es y s t e mi nc a r k e y w o r d s a u t o m o t i v eh a n d s f r e e ，b l u e t o o t h ，t e x t - t o - s p e e c h ，e c h oc a n c e l l a t i o n 1 i 一 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文具有语音提示功能的车载 蓝牙免提系统的硬件设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注 明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本 人承担。 作者签名：日期：盘竭年3 月l y 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 具有语音提示功能的车载蓝牙免提系统的硬件设计系本人在哈尔滨 理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研 究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发 表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在5 年解密后适用授权书。 不保密回。 ( 请在以上相应方框内t t v ) 储签名：粟晶 铈签名节吼巾 日期：莎峨年? 月增日 日期：。d 巧年乡月憎日 哈尔滨理下大学工学硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究目的与意义 当前国民经济正在健康稳步的发展，并伴随着现代移动通信迅猛的发展， 人们对随时随地提供信息服务的宽带无线通信的需求越来越迫切了，正是这种 需求推动着与人们息息相关的各种高科技技术不断地向前发展。不仅表现在以 人为本、个性化、智能化的移动计算机上，也反映在与人们行动息息相关的汽 车上。驾驶员在行车过程中需要接听或者拨打电话的情况越来越普遍，这样不 仅违反现行的交通法规，也给行车安全带来了隐患。况且现在安全驾驶的观念 更加的深入人心，交通部已经立法，禁止驾驶期间使用手持移动通信设备，以 有效的控制由于此类行为造成的交通事故。而人们对手机的依赖程度使得即使 在驾驶的时候，也必须能够接听电话。要使在驾驶时双手真正得到解放，就必 须采用特殊的技术，语音技术就是一个可行的方案，可以通过已经配备的扬声 器把合成好的电话号码和来电人姓名通知驾驶员，达到真正的蓝牙免提功能。 语音交流是人类最自然的交流方式之一，利用语音合成技术播放语音提示 驾驶员，必将有助于减少交通事故的发生率。比如具有蓝牙功能的手机收到短 消息后，具有语音提示功能的车载蓝牙免提系统可以自动播放出语音提示驾驶 者操作，还可以实时的播报来电人的姓名及短信息的内容。不仅可以实现车载 系统的自然、安全和便捷的人机交互，还可以提高车载终端的智能性、车辆驾 驶的安全性和舒适性，使用户使用起来更加方便，更具有人性化。 目前来看语音合成模块已具备了较强的文本分析、韵律控制和语音合成能 力，可以自动识别和处理日期时间、数值金额、电话号码等文本，可以利用特 殊的控制标识对模块的合成效果进行语速和语调上的调整，以及利用控制标识 对姓氏进行准确的识别。外加上专业硬件回声消除及噪声抑制芯片，使语音接 口的语音质量和可靠性有了质的飞跃，也为高品质语音交流的要求提供了最佳 解决方案。 相信不久的将来以蓝牙技术为核心的具有语音提示功能的车载免提系统会 大大普及，而本篇文章介绍的车载蓝牙免提系统的设计不仅对于理论应用到实 践还是对于国内车载蓝牙免提厂商的开发都具有不可忽略的意义和参考价值。 哈尔滨理t 大学工学硕一l 学位论文 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 蓝牙技术国内外现状与发展趋势 最早提出蓝牙这个概念的是爱立信移动通信公司。在1 9 9 4 年，爱立信移 动通信公司希望能为移动电话及电话附件之间寻找一种的低功耗、低成本的无 线接口作为通用的无线接口。在1 9 9 8 年5 月，爱立信、英特尔、东芝和诺基 亚等公司组成了蓝牙特别兴趣小组( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，s i g ) 。b l u e t o o t hs i g 的目标是定义一个实际可用的空中接口及其控制软件标准，用以实现来自不同 生产厂商的便携计算机、移动电话和其他设备之间的互通性。1 9 9 9 年7 月， b l u e t o o t hs i g 公布了正式技术规范的第l 版。下半年，微软、摩托罗拉、三 康、朗讯与蓝牙特别兴趣小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织， 从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙热潮，使蓝牙技术呈现出极其广阔的市 场前景【i i 。 蓝牙技术是一种无线数据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。该技术实质内容是要 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，让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 1 0 0 m ) 范围内具有互操作性能，达到随时随地进行数据信 息交换与传输的目的。蓝牙技术提供的低成本、低功耗的无线接入方式，在信 息家电、移动通信、嵌入式设备等诸多方面的应用顺应了现代通信技术和应用 发展的潮流，被认为是无线数据通信领域重大进展之一，将对未来的无线移 动数据通信业务产生巨大的促进作用【2 l 。 经过1 0 年的发展，蓝牙已经在手机、消费电子中得到广泛的应用。据蓝 牙技术联盟的统计，今年全球蓝牙产品的出货量达到2 0 多亿个。另外，据 i s u p p l i 预计，蓝牙普及率目前为5 0 ，预计到2 0 1 0 年将达到8 0 到9 0 。市 场调研机构a b ir e s e a r c h 公司提供的一份最新调查报告结果显示，预计到 2 0 1 3 年，全球装配蓝牙模块的设备发货量将达到了2 4 亿件【3 】。 而随着2 0 0 8 年高速蓝牙技术和超低功耗蓝牙技术的出现，这两项创新会 促进蓝牙技术在新的产品领域的应用。就高速应用而言，蓝牙将会成为支持更 大数据量传输的方式，同时也将看到蓝牙技术在电视、投影仪、m p 3 播放器等 领域的深入应用。在超低功率蓝牙技术方面，它可用于小型设备之间的简单数 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 据传输，仅需一枚纽扣大小的电池便可运行十年之久。这就意味着能够提供一 种全新的蓝牙的连接性，有多种多样潜在的应用实例，可满足各种细分产品的 需求，如手表、训练鞋、电视遥控器、医疗传感器等，预期这个市场将会非常 庞大。 车载系统正向智能化、信息化和网络化方向发展，汽车市场已经成为电子 工业一个重要的增长点，无线通信技术在汽车等移动系统中有着广泛的应用前 景。汽车蓝牙技术应用主要以手机为无线网关，车载系统通过无线蓝牙链路和 手机连接，再接入外部无线网络。依托蓝牙技术的方案，今后用户通过一部具 有蓝牙功能的手机就可以方便地使用以下功能，如图1 1 所示： 图1 1 蓝牙技术在汽车电子中的应用 f i g 1 1a p p l i c a t i o no f b l u e t o o t hi na u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s 1 免提电话用户进入车内，车载系统会自动连接用户手机。用户在驾车 时，无须动手操作就可以声控完成拨号、接听、挂断和音量调节等功能，通过 车内麦克风和音响系统进全双工免提通话。采用蓝牙技术的免提系统可以与进 入车内的具有蓝牙功能的手机形成小范围的无线局域网，具有蓝牙功能的手机 可以放在车内以免提设备为圆心的l o r e 范围内的任何一个地方。 2 汽车遥控用户可以在l o m 范围内用手机控制车门和车中的各类开关。 3 音乐下载用户可以通过手机下载音乐到汽车音响中播放。 4 电子导航用户可以通过手机下载电子地图等数据到车载g p s ( g l o b a l p o s i t i o ns y s t e m ) 导航系统中，导航系统得到当前坐标参数后再通过手机短信方 式传回导航中心。 5 汽车自动故障诊断系统车载系统可以通过手机将故障代码等信息发往 维修中心，维修中心派人前来修理时可以按故障代码等信息准备好相应的配件 和修理工具。 3 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 1 2 2 语音合成技术国内外现状与发展趋势 语音合成技术是信息处理领域的一个重要分支，实现计算机文本文件的语 音合成，就是让计算机“像人一样开口说话”，这也是人工智能的一个重要研 究方向。语音合成是一门跨学科的技术，涉及到自然语言理解、语音学、信号 处理、心理学、声学、多媒体技术等多个技术领域，是当今世界强国竞相研究 的热门技术之一【4 】。 t t s ( t e x t - t o s p e e c h ) 技术是当前语音合成技术的代表性研究内容，学名是 文语转换技术，其主要功能是把任意组合的文本文件通过计算机或是一定的软 硬件转换后由计算机或其他语音系统转化成声音文件，并通过声卡、电话语音 卡等多媒体设备将声音输出来，并尽量使合成的语音有较高的可理解度和自然 度。语音合成技术有多种用途，其中最主要的是用于计算机口语输出，即制造 一种会说话的机器，并最终与语音识别技术相结合，形成全新的人机对话系 统。为了合成出高质量的语音，除了依赖于各种规则，包括语义学规则，词汇 规则，语音学规则外，还必须对文字的内容有很好的理解【5 】。 综观语言合成技术的研究已有二百多年的历史，人类对于语音合成的研究 经历了机械式、电子的( 模拟的) 、数字的三个阶段1 6 1 。但是真正有实用意义的 近代语音合成技术是随着计算机技术和数字信号处理技术的发展而发展起来 的，主要是让计算机能够输出高清晰度、高自然度的连续语音。2 0 世纪6 0 年 代英文t r s 系统首先被研制出来，近十多年来，微软、i b m 、m o t o r o l a 等国际 巨头也相继看好语音合成与语音识别市场，投入巨大的人力和财力进行研究， 陆续出现了英语、日语、西班牙语和法语等语种的t t s 语音合成商品，尤其 是英语t t s 系统的研究开发时间较长，其成果已应用在多语种语音翻译系统 中。例如，m m 公司开发的智能词典2 0 0 0 ，采用了i b m 公司先进的t t s 技术 对英文单词、短语、句子乃至整篇文章进行准确发音；美国a t & t 开发的真人 1 t s 系统，它模拟的英文发音几乎让用户无法分辨出真假；微软公司开发的 s a p is d k 语音应用开发工具包，对英语和汉语的语音合成提供了强有力的支 持：法国c n e t 实现的多语种t t s 已用于电话网中的公共话音服务 7 1 。 国内的汉语语音合成研究起步较晚些，2 0 世纪8 0 年代我国才开始介入汉 字t t s 领域的研列引。中科院声学所首先开始汉语语音合成的研究之后，社科 院语言所、清华大学、中国科技大学、北方交通大学等单位陆续开展了对汉语 t t s 的研究。同时，台湾交通大学、台湾大学和国际上的贝尔实验室也研制汉 语t t s 系统。近年来，在国家8 6 3 智能计算机主题的支持下，汉语t t s 技术 4 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 有了长足的进步。清华大学、中国科大、中科院声学所等单位都在这一领域取 得了很好的成绩，有些研究成果已经转化为产品得到了实际的应用。如清华大 学的s o n i c 系统，中国科技大学的d k - 8 6 3 汉语文语转换系统，杭州三汇公司 的中文t t s 系统，捷通公司的嵌入式t t s 汉语语音系统，科大讯飞公司的 k d 2 0 0 0 汉语文语转换系统等。尤其是1 9 9 8 年中国科技大学在国家8 6 3 计划和 国家自然科学基金委支持下，成功研制的k d 8 6 3 汉语文语转换系统，和采用 国内外流行的p s o l a 技术的系统相比，在输出语音的音质和自然度上有了突 破性的提高。先后应用于深圳华为技术公司设计的“1 1 4 自动电话报号系统”， 和国家工商总局设计的“工商企业语音查询系统”。使得汉语语音合成技术走 出实验室，向市场应用迈出了重要的一步。另外，k d 一8 6 3 系统参加了在1 9 9 8 年4 月国家科委组织的全国汉语语音合成系统的性能评测，其输出语音的自然 度居同类系统之首，是唯一达到用户可以接受程度的系统。k d 8 6 3 还在日 本，新加坡，香港的有关研究所和大学进行过演示，均得到了有关方面专家的 认同，标志着我国的中文t t s 语音技术已经领先世界先进水平! 另外，市场信息服务公司j dp o w e ra n da s s o c i a t e s 的调研数据表明，5 6 的消费者更倾向于选择声控的导航系统与免提系统。因此，开发车载语音导航 系统与免提系统是很有意义的。目前，国内已经具备开发车载语音导航与免提 系统的技术基础，特别是中文1 t s 语音合成技术已经达到比较实用的程度。 1 2 3 车载免提技术国内外现状与发展趋势 汽车的出现，代表着人类“移动能力 的具体延伸，移动电话的问世，代 表着人类沟通能力的无限拓展，两者相互结合之下，自然会对我们的生活造成 无与伦比的影响。然而，根据各国的研究成果显示，驾车时如以手持方式使用 移动电话，的确会提高肇事机率，也给路人增加危险，如果能在车上安置一套 完善的“车载免提通话装置 就能提高行车中通讯的安全系数。 我国的交通法规明确规定司机在行车期间接打手机是违章行为。佩带手机 耳机虽然可以在一定程度上解决开车不能接打电话的不便，但是还是很不方 便，试想如果车主之前忘记把耳机和手机连接好，那么开车的时候突然来电 话，是不是会手忙脚乱? 所以如果不得不边开车边打电话，那最好的选择是使 用车载蓝牙免提装置解放司机们的手。车载蓝牙免提系统是专为行车安全和舒 适性而设计的，一般来说可完成这样的功能：自动辨识移动电话，不需要电缆 或电话托架便可与手机联机，使用者不需要触碰手机或是双手保持在方向盘上 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 便可控制手机。 车载蓝牙免提技术是近些年发展起来的车载免提技术。目前，国外蓝牙技 术的推广工作己经如火如荼，而国内的企业相对来说发展比较慢，只有1 7 家 企业宣布支持蓝牙计划。据2 0 0 5 2 0 0 6 年中国车载蓝牙免提系统的市场研究报 告，国内的蓝牙车载免提生产厂商有1 6 家，能提供蓝牙车载免提方案厂商仅 有6 家。目前，汽车已不再是少数人的奢侈品，伴随着汽车的普及情况看，车 载蓝牙免提技术更适合中国的发展，尤其是具有语音交互的车载蓝牙免提产 品，相信在中国车载蓝牙免提设备将有非常广阔的市场前景。 1 3 课题主要研究内容和完成工作 本文将针对车载蓝牙免提系统与语音合成技术进行研究，以市面上已经出 现的蓝牙产品结合嵌入式技术及市场需求提出相应的具有车载语音提示功能的 蓝牙免提方案及改进方案，针对一个基于a r m 的硬件平台进行详细的论述。 本论文首先根据蓝牙技术和语音合成技术的背景与发展现状以及车载免提 技术发展的现状，阐明了课题的目的、内容和主要完成的工作。之后从总体上 介绍了蓝牙系统的系统特征和主要参数，包括蓝牙射频特性、蓝牙收发器性能 和蓝牙系统网络结构，然后重点概述了蓝牙协议的特点与结构，并详细分析了 论文中所需的相关协议与功能函数以及蓝牙免提通话框架( h a n d s f r e ep r o f i l e ， h f p ) 的操作模式与操作规范。接着介绍了t t s 语音合成技术及回音消除技 术，简明扼要的说明了文语转换系统的基本原理，详细论述了当前t t s 语音 合成的主要关键技术，包括文本分析、韵律控制生成以及语音合成方法等相关 技术及其流行算法，并介绍了车内回音和车内噪声产生的原因与消除回音的基 本原理及方法。接着本论文根据课题背景以及汽车电子市场的需求提出一种新 的同时实现语音提示和蓝牙通信技术的车载免提电话系统，在详细分析了嵌入 式车载蓝牙免提设备开发的单芯片与多芯片方案优点与缺点的基础上，提出了 基于语音提示功能的车载蓝牙免提的总体硬件设计方案，对本设计的硬件电路 总体设计的各个单元电路设计进行了详细的论述，包括电源单元电路、电池充 电单元电路、a r m 接口单元电路、蓝牙模块接口单元电路、t t s 语音合成单 元电路、回声消除与功率放大器单元电路，然后介绍了回声消除芯片驱动的开 发，就电子设计中产生电磁干扰的原因与解决方法进行了简单的阐述，并根据 这些原则来设计印制电路板。最后，给出单元电路的调试过程，简要说明了系 统的调试开发环境与调试内容以及设计和调试开发过程中出现的问题和需要改 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 进的地方，并对整个开发过程做出总结。 笔者从项目组成立之初，便负责规划并实际设计整个项目的各个部分。参 与完成了本项目硬件系统开发设计以及各部分硬件功能模块的开发设计，并针 对项目开发过程中出现的一些问题进行分析与解决，所做主要工作如下： 1 在分析现有车载免提系统的基础上，提出车载蓝牙免提系统软硬件整体 方案设计； 2 根据各部分需要实现的功能、接口电路和功耗需求等设计要素，对各部 分硬件单元电路进行设计，深入分析选定的各个单元的基本电气参数和接口特 性，重点掌握控制方法，并设计对应的功能测试电路； 3 针对板级电磁兼容的问题，对整体电路的电路板的布局布线进行规划与 设计： 5 根据回声消除芯片的通信协议，完成硬件底层驱动程序的开发。 哈尔滨理工大学工学硕j j 学位论文 第2 章蓝牙系统结构概述 2 1 蓝牙系统特征与主要参数 蓝牙技术是便携式电子设备和固定设备之间代替电缆连接的短距离无线通 信的开放标准，他的主要特点是体积小、便于集成、功耗低、成本低、对人体 无害。此外，蓝牙具有统一开放的接口标准，工作在全球开放的i s m ( i 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 ) 频段上，便于全球范围内使用【9 1 。 一个完整的蓝牙系统按功能可分为三个部分：底层硬件模块、中间协议层 和应用层。蓝牙底层硬件无线模块由链路管理层、基带层和射频层构成。射频 层主要负责射频处理和基频调制，基带层负责调频和蓝牙数据及信息帧的传 输。链路管理层负责连接的建立、拆除、链路的安全和控制【i o l 。中间层协议包 括逻辑链路控制与适配协议、服务发现协议、串口仿真协议等。最上层是对应 于各种应用模型和应用程序，实现对控制指令的解析。蓝牙底层硬件模块主要 可以从以下几个方面来描述： 2 1 1 无线射频工作频段和信道安排 蓝牙射频电路工作在无需许可证的2 4 g h zi s m 频带上，采用了扩频技术 主动地去避免工作频段受干扰( 比如来自无线局域网设备等) 。我国规定的蓝牙 射频频段最低到2 4 0 2 g h z ，最高到2 4 8 g h z ，每个信道带宽为1 m h z ，相邻频 道中心频率间隔为1 m h z 。为减少带外的辐射和干扰，保留的上下护频带分别 为3 5 m h z 和2 m h z 。 2 1 2 蓝牙收发器性能 蓝牙收发器采用时分双工方式、g f s k ( g a u s s i a nf r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ) 调 制。根据发射器发射功率的电平大小，蓝牙设备的发射功率可分为3 个等级： l 级功率的蓝牙设备发射功率为1 0 0 m w ( 2 0 d b m ) ；2 级功率的蓝牙设备发射功 率为2 5 m w ( 约4 d b m ) ；3 级功率的蓝牙设备发射功率为l m w ( 0 d b m ) 。当蓝牙 设备功率为l m w 时，其传输距离一般为l o e r n l o m ，当发射源接近或是远离 而使蓝牙设备接收到的电波强度改变时，蓝牙设备会自动调整发射功率，当发 哈尔滨理工火学工学硕j ：学位论文 射功率提高到1 0 0 m w 时，传输距离可以扩大到1 0 0 m 范围。蓝牙接收器实际 灵敏度为蓝牙通信系统误比特率达到1 o 时所需要的输入电平，蓝牙接收器的 灵敏度应该优于7 0 d b m 。发射器的功率与接收灵敏度可以决定无线设备的成 本和便携性。 2 1 3 蓝牙网络结构 一个蓝牙系统，可以提供点到点的连接，同时还可以扩展为点到多点连 接，从而组成一个微微网。在蓝牙系统中主动发出连接请求的设备称为主设 备，被动接受连接请求的设备称为从设备。在微微网中，只有一个设备是主设 备，其他设备均为从设备，一个主设备最多可以同时与7 个处于激活状态的从 设备互相传递数据，当从设备只与网络保持同步而不传递数据时，此从设备便 处于休眠状态，此时在一个微微网中最多可以容纳2 5 6 个从设备，所有从设备 共享网络的1 m b i t s 的传输速率1 1 1 1 。 2 2 蓝牙协议体系结构 蓝牙协议体系是为个人区域内无线通信制定的协议，到目前为止，已颁布 的蓝牙规范有v 1 0 、v 1 1 、v 2 0 、v 2 1 一共4 个版本，所有的蓝牙协议版本 都向下兼容，不同版本的协议可以互联互通。蓝牙规范在其协议中采用分层结 构，分别完成数据流的过滤和传输、跳频和数据帧的传输、连接的建立和释 放、链路的控制、数据的拆装、业务质量、协议的复用和分用等功能。在设计 协议时的原则就是最大限度地重复使用现存的协议，而且其高层应用协议都使 用公共的数据链路层和物理层。 蓝牙协议体系可以分为4 层，即核心协议层、电缆替代协议层、电话控制 协议层和选用协议层【1 2 1 。除了上述协议层之外，由于上层蓝牙协议不能和底层 硬件模块直接连接，蓝牙规范还定义了主机控制接口，它为基带控制器、链路 控制器以及访问硬件状态和控制寄存器等提供命令接口，主机控制接口实际上 相当于蓝牙模块中软硬件的一个桥梁，它提供了一个可以调用下层状态和控制 寄存器的统一命令接口。h c i ( h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) 层可以位于l 2 c a p 之 下，但是它也可位于l 2 c a p 之上。 完整的蓝牙体系结构如图2 1 所示，显示了数据经过无线传输时，所有协 议之间的相互关系。 哈尔滨理工大学丁学硕七学位论文 i i i ： 电话控制协议 ： v c a r d v g a lw a e i ! l i o b e xw a pl a t 命令集 t c s l s d p i i 可选协议 i i u d p 厂i p 口 音频 p p p 一 一 l j i r f c o m m l l 2 c a p l 主机控制接口( h c i ) l 口p 基带( b a s eb a n d ) 蓝才尤线射频信道( r a d i oa n da n t e n n a ) 图2 - 1 完整的蓝牙系统结构框图 f i g 2 - 1c o m p l e t eb l u e t o o t hs y s t e ma r c h i t e c t u r ed i a g r a m 在蓝牙协议栈中，不是所有的应用的都必须使用全部协议，某一应用往往 只采用协议中的一个或是几个纵向的协议，利用特殊的服务来支持主要的应用 程序。并且，协议中的某些附加垂直子集恰恰是用于支持主要应用的服务。例 如电话控制规范或是服务发现协议等。实际上，图2 1 示意描述的是当无线传 输数据的有效载荷，是利用其他协议服务过程中协议间的关系。这些协议应具 有与其他协议间的关联。例如，一些协议当需要对链路进行控制的时候，可以 使用链路管理协议【1 3 】。 核心协议以及蓝牙射频层是绝大部分蓝牙设备都需要的协议。选用协议则 主要是各种已经广泛使用的高层协议，只在需要的时候使用。完整的蓝牙体系 协议每层及相应的协议如表2 1 所示。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 表2 - 1 蓝牙体系中的协议 t a b l e2 1b l u e t o o t hs y s t e mp r o t o c o l 蓝牙协议层协议栈构成 基带协议( b b ) 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 核心协议 服务发现协议( s d p ) 链路管理协议( l m p ) 电缆替代协议 串口电路仿真协议( r f c o m m ) 二进制电话控制规范( t c sb m r y ) 电话控制协议 a t 命令集 点到点协议( p p p l 用户数据报协议( u d p ) 和传输控制协议( t c p ) 网际协议( 口) 对象交换协议( o b e x ) 可选协议 无线应用协议( w a p ) v c a r d v c a l e n d a r 红外移动通信( i r m c ) 无线应用环境( w a e ) 下面将对各个协议做一个简单的介绍。 1 基带协议基带协议( b a s eb a n d ，b b ) 位于协议的最底层，主要完成蓝牙 设备的调频选择、地址编码、链路类型、信道编码、收发规则、信道控制、音 频规范和安全设置等功能【1 4 1 。基带相对应的基带数据分组提供两种不同的物理 链路：同步面向连接的链路s c o ( s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o no r i e n t e dl i n k ) 和异步 面向无连接的链路a c l ( a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n l e s sl i n k ) ，s c o 链路主要用 于对时间要求很高的数据通信，比如语音传输等，每条s c o 支持速率为 6 4 k b p s 的语音通话，主设备与从设备之间最多可建3 条s c o 链路。a c l 链路 是微微网主设备和所有从设备之间的同步或是异步数据分组交换链路，主要用 于对时间不敏感的数据传输，如文件数据或是控制信令。当系统需要传输s c o 时，a c l 自动空出时隙保留给s c o 使用，它只在s c o 链路不使用的时隙上传 输。a c l 链路支持对称和非对称两种传输速率。对称连接时，主从设备之间的 传输速率各为4 3 2 6 k b p s ，非对称连接时，主设备到从设备的传输速率为 7 2 1 k b p s ，从设备到主设备的传输速率为5 7 6 k b p s 。主设备与各个从设备之间 最多只能有一条a c l 链路，建立s c o 链路前必须要先建立起a c l 链路以传 递控制信息。所有的语音和数据分组都附有不同级别的前向纠错( f o r w a r de r r o r 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 c o r r e c t i o n ，f e c ) 或循环冗余校验( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，c r c ) 编码，并可 以进行加密，以保证可靠传输。话音模型规范中，任意两个蓝牙设备仅通过开 通一条话音链路，就可以相互发送和接收话音数据。 2 链路管理协议链路管理协议( l t a km a n a g e rp r o t o c o l ，l m p ) 不但负责蓝 牙各设备间链路的建立和控制，还用于安全方面的鉴权和加密。另外，还可以 控制无线部分的能量模式和工作周期、微微网内的各设备的连接状态。每个设 备上的链路管理器( l m ) 利用l m p 协商彼此之间蓝牙空中接口的特性。其中包 括带宽的分配，设备间协商确定基带数据分组的大小，通过支持适配协议数据 业务所需的服务级以及保留的周期性带宽，来支持话音通信业务。通信设备上 的蓝牙l m p 利用“竞争响应”的方式对设备进行鉴权、产生、交换、核实链 路和加密连接密钥，以进行身份认证和加密等安全措施。在必要时，对l m 监 控设备的配对和对设备之间空中接口上的数据流进行加密，其中配对是通过产 生和存储连接密钥来建立起设备之间的相互信任关系，为以后的设备鉴权做准 备。如果鉴权失败，l m 将切断设备问的链路，以禁止设备间的任何通信。l m 还支持能量控制，通过交换彼此间的参数信息来协商低活动性基带运行方式， 从而控制功耗【l5 1 。 3 逻辑链路控制和适配协议逻辑链路控制和适配协议( l o g i c a ll i l l k c o n t r o la n da d a p t a t i o nl a y e rp r o t o c o l ，l 2 c a p ) 完成基带与高层协议间的适配， 并通过协议复用、分割及重组操作，为高层提供数据业务和分类提取。来自数 据应用的通信信号首先通过l 2 c a p ，l 2 c a p 层屏蔽了高层协议和应用层与低 层传输协议之间的关联。因此，高层协议不需要知道在无线电波和基带上的调 频序列，也不需要知道在蓝牙接口中传输的特殊的分组格式。基于要求的业务 等级，一个l 2 c a p 的使用既能行使允许新信号进入的控制权，同时能与低层 协调保持所需的业务等级。逻辑链路控制和适配协议是基带的上层协议，可以 认为它是与l m p 并行工作的，它们的区别在于，当数据不经过l m p 时， l 2 c a p 将采用多路技术、数据分组分割和重组技术、群提取技术以及服务质 量等为上层提供数据服务。虽然基带协议提供了s c o 和a c l 两种连接类型， 但是l 2 c a p 只支持a c l ，并允许高层协议以6 4 k b s 的速率收发数据分组。话 音和电话应用的语音质量信道通常在基带s c o 链路上运行，然而话音数据可 以打包并使用通信协议在l 2 c a p 上进行传输。 4 服务发现协议服务发现协议( s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o l ，s d p ) 是蓝牙技 术框架中非常重要的一个部分，它是所有应用模型的基础。任一种蓝牙应用模 型的实现都是利用某些服务的结果。在设备之间组网的基本动机就是使这些设 哈尔滨理工大学工学硕r 上学位论文 备相互通信，并获得彼此的服务。多数情况下传统网络的客户机通过一些静态 设置确定这些网络业务的位置，如以太网通过服务器在网络中提供文件传输、 打印、命名、网桥和网关服务供客户机使用。客户机的设置是由系统管理员建 立并维护的，而对于蓝牙通信来说，建立在蓝牙链路上的任何两个或多个设备 随时都有可能开始通信，仅仅是静态设置是不够的。如果这些设备要能够相互 利用彼此间的业务，就需要确定这些业务位置的动态方式。一旦建立起一条通 信信道，就能够找到需要的业务。这就是蓝牙服务发现协议的功能。使用 s d p ，可以查询到设备信息、服务和服务类型。在对邻近的可获得的服务定位 以后，蓝牙设备才能建立连接。s d p 是在动态网络中发现终端用户使用价值的 重要环节。s d p 是专门为使用蓝牙通信的环境而设计的，以有效、优化的方式 执行该项功能。s d p 支持三种查询方式：按服务类别搜寻、按服务属性搜寻和 业务浏览。 5 电缆替代协议为了便于蓝牙链路在串行通信中的使用，蓝牙协议栈定 义了被称为替代电缆协议的串口仿真协议( r a d i of r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o n ， r f c o m m ) 。r f c o m m 表示的是一个虚拟串口，它将很容易地实现由具有电 缆的串行应用模型向无线串行通信领域的转移。而r f c o m m 的应用类似于标 准的有线串口所能实现的应用，例如同步、拨号上网及其他不需要做重大改动 的应用。因此r f c o m m 协议的内容就是使那些遗留的、基于串口的应用使用 蓝牙方式传输。r f c o m m 是基于欧洲电信联盟技术标准e t s l0 7 1 0 规范的串 口仿真协议，此标准还用于g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 通 信设备，此标准定义了在一条串行链路上的多路复用串行通信。r f c o m m 协 议在l 2 c a p 协议上提供r s 2 3 2 串口仿真。这个“替代电缆”的协议在蓝牙基 带协议上仿真r s 2 3 2 控制和数据信号，为使用串行线传送机制的上层协议提 供服务。r f c o m m 支持使用设备串口的应用，因为串行通信在数字设备中的 使用相当普遍，所以r f c o m m 层提供的串口功能使之成为协议的重要组成部 分【1 6 1 。 6 电话控制协议电话控制协议( t e l e p h o n yc o n t r o ls p e c i f i c a t i o n - b i n a r y ， t c s ) 包括二进制电话控制协议和一套电话控制命令( a tc o m m a n d s ) 两部分。它 是蓝牙s i g 基于国际电联的兀u t q 9 3 1 标准开发的面向比特的协议，定义了 蓝牙设备问建立语音和数据呼叫所需的呼叫控制信令，以及处理蓝牙t c s 设 备群的移动管理进程。蓝牙无线通信的一个主要特点就是既能传输数据通信信 号，又能传输语音通信信号。蓝牙电话控制协议层的设计支持电话功能，包括 呼叫控制和分组管理。这些操作通常与语音呼叫有关，其中这些呼叫的参数就 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 是使用t c s 建立的，一旦呼叫建立成功，蓝牙音频信道能传输呼叫的语音内 容 7 可选协议可选协议是蓝牙规范根据具体的高层应用而选择采纳的协 议。如前所述，蓝牙技术标准在高层利用了几个现有的协议，这使原有的应用 程序可以用于蓝牙技术，保证了蓝牙技术定义的一些新的应用和原有应用之间 的平滑操作与互操作性。包括点对点协议、网络协议、对象交换协议、无线应 用协议。 点对点协议标准采用了i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 开发的点对点 协议，它定义了如何在串行的点到点链路上传输口数据报。数据报就是在链 路上基于尽力而为的原则传送的数据单元。当利用调制解调器通过拨号或路由 器上网的时候，或是在一个专用的链路上使用路由器成功的接入互联网则可以 使用这些链路。 网络协议包括传输控制协议( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l