（计算机科学与技术专业论文）嵌入式蓝牙高级音频应用系统的研究与实现.pdf

国防科产技术人学研究生院i ：平l t 颀十学位论文 摘要 蓝牙技术是一种用于短距离无线通信的开放性全球规范。蓝牙技术的特点主 要有：低成本、低功耗、抗干扰性强、良好的兼容性和互通性。遵循蓝牙规范的 设备之间能够非常方便的建立数据和语音连接。蓝牙技术越来越多地被要求应用 于便携式终端产品上，如蓝牙耳机、蓝牙遥控器、蓝牙车载免提等设备，这为嵌 入式的蓝牙应用方案提供了广阔的应用前景。随着蓝牙产品的不断普及，消费者 对于蓝牙产品的功能也提出了更高的要求。比如在蓝牙音频应用领域，人们在蓝 牙免提应用中要求通话设备可以提供更好的语音质量，并且要求蓝牙产品具有传 输高质量的立体声音频流的功能。 根据蓝牙技术的发展方向，本文提出了嵌入式蓝牙高级音频应用系统 ( b l u e t o o t h b a s e da d v a i l c e da u d i os y s t e m ，简称b a a s ) 的解决方案。此方案包含 了立体声音频传输，无线遥控和免提通话三大功能，并利用回声消除技术避免了 传统车载免提应用的回声干扰大、音频质量差等缺点，具有领先的技术优势。 本文首先根据目标产品的定位定义了b a a s 系统的应用模型，并设计了基于 c s r 公司的b l u c c o r e 3 m u l t i m e d i a 芯片的系统硬件逻辑电路。通过对于蓝牙音频应 用所涉及的核心协议和应用框架规范的研究，本文设计并实现了符合应用框架规 范要求的蓝牙音频应用软件。然后本文研究并实现了一种基于d s p 的回声消除的 算法，并实际调协参数使声效达到优化值。最后本文依照蓝牙射频规范设计了产 品的射频测试方案，测量了产品的射频特性和功耗值。实践表明：b a a s 解决方案 具有领先的技术优势和广阔的应用前景。 关键词：蓝牙，嵌入式，免提，音频流传输，音视频遥控，回声消除，射频 测试 第i 页 国防科学技术人学研究生院】：羊! ! 硕十学俯沦文 a b s t r a c t t h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g yl saw o r l d w l d eo p e ns t a n d a r df o rs h o n - h a u lw i r e i e s s c o m m u n i c a t i o n i to f 亿r st h ef o l l o w i n gf e a t u r e s ：l o wc o s t ，i o wp o 、v e rc o n s u m p t i o n ， s t r o n ga i l t i - j a m m i n gp e r f o n n a n c e ，g o o dc o m p a t i b i l i t ya 1 1 di m e r o p e r a b i l i t y i tc o u i db e u s e df o re a s i i ye s t a b l i s h i n gt h ed a t aa n dt h ea u d i ol i n k sb e t w e e nm ed i 靠e r e md e v i c e s w h i c hc o m p l y 谢t ht h eb l u e t o o t hs p e c i f l c a t i o n b l u e t o o t ht e c h n 0 1 0 9 yi si n c r e a s i n g l y a p p l i e di np o n a b l ep r o d u c t s ，s u c ha st h eb l u e t o o t hh e a d s e t ，t h er e m o t ec o n t m l l e r ，t h e h a n d f r e ek i ti nt h ec a r ，w h i c he n s u r e st h ep r o m i s i n gd e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e d b l u e t o o t h 印p l i c a t i o n a l o n gw i t ht h eb l u e t o o t hp r o d u c tb e c o m e sm o r ea n dm o r e p o p u l a r ，t h ec o n s u m e rd e m a i l d sf o rm o r e 胁c t i o n s f o re x a m p l e ，i nt h eb i u e t o o t ha u d i o a p p l i c a t i o n ，p e o p l ed e s i r et l l es t e r e oa u d i os t r e 锄d i s t r i b u t i o n i nt h i st h e s i s ，w ep r o v i d eas o l u t i o no ft h ee m b e d d e db l u e t o o t i l _ b a s e da d v a n c e d a u d i os y s t 锄一b a a sf o rt l l e 廿e n do fb l u e t o o t l lt e c h n o l o g y n l eb a a ss o l 砸o n i n c l u d e sm a l l yf u n c t i o n si n c l u d i n gm es t e r e os t r e 锄d i s t r i b u t i o n ，t 1 1 ea u d i “v i d e or e m o t e c o n 们la 1 1 dt h eh a n d 一疗e ef o rt 1 1 ec a l 】w h e nt h ep r o d u c tj si nt h eh a n d 一疔e em o d e ，i tu s e s t h ee c h oc a n c e i l a t i o nt c c h n o l o g yt oa v o i dt h ee c h o si n t e e r e n c ea n dp r o v i d e sag o o d v o i c eq u a l i t y i nt 1 1 i sp a p e r 、ep r e s e mm eb a s ss o l u t i o na sf o l l o w s ：a tf i r s t ，t h i st h e s i sd e f m e s a 1 1a p p l i c a t i o nm o d e lb yt h ep r o d u c t sf e a t u r e s ，a n dd e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i t a c c o r d i n gt o t h ec s r sb l u e c o r e 3 一m u l t i m e d i ab i u e t o o t h c h i p w 色c o n s t r u c tt h e s o r w a r ee m i t yw h i c hi si na c c o r dw i t ht h eb l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o nt h r o u g ht l l er e s e a r c h o ft h eb l u e t o o t hp r o n l e ，a tl a s t ，t h et 1 1 e s i sd e s i g n st h er ft e s ts o l u t i o na c c o r d i n gt ot h e b l u e t o o mr a d i os p e c i f i c a t i o n ，a n dm e a s u r c st h ep r o d u c t sr fp a r a m e t e ra f l dp o w e r c o n s u m p t i o n t h e r e s u l ti n d i c a t e st h a tt i l eb a s ss o l u t i o nh a st h et e c h i l i c a l p r e d o m i n a n c e t h e r ei sn od o u b tt h a tt h eb a a sw i l lh a v eaf h - r a n g i n ga p p l i c a t i o ni n t h e6 l t l 】r e ! k e yw o r d s ：b l u e t 0 0 t h ， e m b e d d e d ， c a n c e a t i o a u d i o 、，i d e o d i s t r i b u t i o n h a n d - f r e e ，r ft e s t e c h o r e m o t ec o t r 0 1 a u d i os n e a m s 第i i 页 国防科 技术人节研究生院f 群硕十学俺论文 图目录 图2 1蓝牙协议堆栈模型4 图2 2 蓝牙服务发现机制6 图2 _ 3h f p 的协议模型7 图2 4 a 2 d p 的协议模型一8 图2 5a v d t p 层与上下层间的关系9 图2 6a v r c p 的协议模型1 0 图3 1b a a s 的系统组成一1 1 图4 1 b c 3 一m 芯片组成原理一1 3 图4 2 信源端硬件组成原理1 4 图4 3 充电及电源状态指示电路1 5 图4 4 信宿端硬件组成原理1 6 图4 5 音频供电电路原理图一1 6 图5 1 耳机软件状态转换图1 8 图5 2 适配器软件状态转换图1 9 图5 - 3免提应用的通信流程2 0 图5 4 进行免提操作的a t 指令过程 图5 5免提软件实体的状态转换 图56 音频流的建立连接过程 图5 7 音频流的启动传输过程 图5 8 音频流的释放过程 图5 9 音频流传输软件实体的状态转换 图5 1 0 蓝牙遥控应用的通信流程 图6 1 回声消除原理 图6 2自适应滤波器原理 图6 | 3d s p 自适应滤波的计算流程 图6 4回声消除应用的程序流程 图7 1 输出功率测试示意图 图7 2 频载偏移测试示意图一 图7 3分组灵敏度测试示意图 图7 4 调制指数测试示意图 第| i l 页 扒u m m巧拍如弛驺弘弘” 国防科学技术人学研究生院l 。料硕十学位论文 第一章绪论 1 1 蓝牙技术概况 随着社会经济的迅速发展，人们对于能够提供信息服务的移动终端设备与宽 带无线通信网络的需求越来越迫切。近几年，与便携式智能终端以及无线通信相 关的新技术层出不穷，其中短距离无线通信技术更是受到了世界各国工业界与研 究机构的广泛关注。 蓝牙技术是一种用于短距离无线通信的开放性全球规范。目前具有代表性的 短距离无线通信技术标准主要包括i r d a 、i e e e 8 0 2 11 、b l u e t o o t h 、h o m e r f 、u w b 等标准。在合理利用无线频率这一自然资源的前提下，人们应当针对不同的应用 环境采用不同的无线通信技术，这样才能充分发挥每一种无线通信技术的优势。 与其他的短距离无线通信技术相比，蓝牙的特点主要有【2 j ：定位在无线通信的最后 1 0 米；低成本、低功耗、抗干扰性强；全球统一的、开放的接口标准规范；良好 的产品兼容性和互通性。 蓝牙技术规范中定义的协议栈具有多层结构，分别负责实现数据流的过滤和 传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和解除，以及链路控制、数据包的拆装、 服务质量和协议复用等功能。整个协议栈的结构比较简单，并且在物理层使用前 向纠错编码及自动重传等机制保证链路的可靠性。遵循蓝牙规范的不同设备之间 能够利用无线通信链路取代错综复杂的电缆，非常方便地实现快速、安全、低功 耗的数据和话音通信。 蓝牙技术的灵魂就在于它是全球统一的、开放的技术标准，这保证了不同厂 商的蓝牙产品之间的互通性。蓝牙技术体系中设计的主要原则包括：尽可能地利 用现有的各种应用协议，保证蓝牙技术与已得到广泛应用的协议的融合性；尽可 能地利用已通过蓝牙验证的软硬件资源，并根据产品的实现方式选择相应的蓝牙 测试规范对产品进行验证，确保产品符合蓝牙技术规范要求。 1 2 蓝牙技术应用现状 1 9 9 9 年e r i c s s o n 联合i b m 、i n t e l 、n o k i a 、3 c o m 、m o t o m l a 、l u c e n t 、m i c r o s o r 和t o s h i b a 几家公司正式成立了蓝牙专业兴趣组织( 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 p ，简称b s i g ) ，成为9 个蓝牙技术的倡导发起成员。b s i g 着眼于全球化的 统一应用，将蓝牙技术标准完全公丌：1 9 9 9 年公布了蓝牙规范1 0 版；2 0 0 1 年公 布了蓝牙规范1 1 版；2 0 0 3 年公布了蓝牙核心规范l - 2 版；2 0 0 4 年公布了目前最 第l 页 国防科学技术人学研究生院l ：程硕f ：学俺论文 4 设计并实现了符合应用框架规范要求的蓝牙音频应用软件。 5 研究并实现了一种基于d s p 的回声消除算法，并按实际应用调协参数使声 效达到优化值。 6 设计了系统的射频和功耗测试方案，并根据测试结果调整了系统的射频性 能和功耗水平。 1 4 论文结构 本文共分为七章。 第一章为绪论。介绍了蓝牙技术的特点，分析了蓝牙技术应用的现状，并况 明了课题研究的主要内容。 第二章为蓝牙技术规范。主要介绍了蓝牙核心规范中各主要协议的功能与特 点，并按照自己的理解对与蓝牙音频应用相关的框架规范进行了分析。 第三章为b a a s 系统结构及应用模型设计。主要设计了b a a s 系统的应用模 型，定义了应用模型中的角色分配，并描述了b a a s 系统中各实体的操作过程以 及所具有的功能。 第四章为b a a s 硬件设计。以系统构成框图的方式分别阐述了蓝牙适配器和 立体声耳机的硬件组成原理。 第五章为b a a s 软件设计。主要论述了如何利用框架规范中定义的通信过程 构造蓝牙音频应用框架的软件实体，并分别阐述了蓝牙免提通话、立体声音频流 传输和音视频遥控软件实体的设计过程。 第六章为回声消除的研究与实现。分析了回声消除技术的原理，研究并实现 了一种基于d s p 的回声消除的算法，最后调协参数使声效达到优化值。 第七章为测试及结果分析。阐述了蓝牙射频测试规范，并根据产品特点设计 了相应的测试方案。最后对于产品的射频特性和功耗水平进行了测试与调整。 第3 页 国防科学技术人学研究生院【捌碗十。i ：位论文 的应用模型和市场需求的不断变化，蓝牙的应用框架也不断的得到扩充。蓝牙应 用框架相当于具体蓝牙技术应用产品的解决方案，它规定了各类蓝牙产品的功能 和应用范围，并给出了相关的蓝牙协议栈结构。蓝牙应用框架指出了如何适当的 使用和配置各层协议，并说明了上层主要功能实体的通信过程。在开发蓝牙应用 产品的过程中，必须严格遵循相应的蓝牙应用框架，以使产品具有良好的兼容性 和互通性。本文将分别对于蓝牙免提应用框架、高级音频分发框架和音视频遥控 框架进行研究，以构建应用层的软件实体。 2 21 免提应用框架 蓝牙免提应用框架( h a l l df r e ep r o m e ，简称h f p ) 的协议栈结构如图2 3 所 示，它是基于串口框架( s e r i a lp o np r o 矗1 e ，简称s p p ) 来定义的【8 j 。它通过在 r f c o m m 层传输a t 控制指令来实现手机通话的免提接昕功能。h f p 中定义了两 种设备角色音频网关( a u d i og a t e w a y ，简称a g ) 和免提设备( h a l l df r e e ， 简称h f ) 。其中a g 是指音频输入输出的网关设备，典型的音频网关主要有蓝牙 手机；h f 是指可以收发音频并遥控a g 的设备，典型的免提设备主要有蓝牙耳机 和蓝牙车载免提设备。 免提应用程序 t 指令控铡蒜 r f l -s d p l l 2 c p b o s e b ；n d r 2 d i o - + - + - + + - - + 音频嗣关应用程序 a 丁指令经铡层 s d p簿c o m i l2 i pl p b a s e b a n d r o d i o 卜f 朋 图2 3h f p 的协议模型 具体的免提应用过程中，首先a g 和h f 要基于a c l 链路建立起r f c o m m 连接，并通过发送a t 命令完成一些基本信息交互，例如h f 端需把本地的麦克风 和扬声器的增益值通知a g 端，而a g 端则需要把本地所支持的服务信息通知 h f 。任务完成后，二者之问即相当于建立起一条服务级链路。在服务级链路建成 之后，一旦a g 检测到有与远端用户通话的过程，将主动建立与h f 端的s c o 语 音链路连接。语音链路成功连接后，a g 即采用c v s d 编码格式将通话进行转移至 第7 页 国防科学技术人学研究生院j 样硕十学位论文 h f 端。此时本地用户即可通过h f 端的扬声器和麦克风与远端用户进行通话。 2 2 2 高级音频分发应用框架 蓝牙s c 0 信道的最大6 4 k b p s 的数据传输率传输限制了它只能用于一般的语 音通信。为了能够实现高级音频应用，b s i g 发布了高级音视频分发传输掷议 ( a v d t p ) 和高级音频分发框架( a d v a l l c e da u d i od i s t m u t i o np m t o c o l ，简称 a 2 d p ) ，其中前者定义了基于l 2 c a p 层使用数据传输率更快的a c l 链路实现高 质量立体声音频流传输的机制，后者则描了利用a v d t p 进行音频传输的过程。高 级音频分发框架的协议栈结构如图2 4 所示，其中点对点音频分发设备分别称为信 源端( s o u r c e ，s r c ) 和信宿端( s i n k ，s n k ) 例。s r c 是指音频流传输的起点， s n k 则是指音频流传输的终点。a 2 d p 要求s r c 和s n k 至少要支持低复杂度子带 编解码( l o wc o m p i e x i t ys u b b a n dc o d e c ，简称s b c ) 标准。s b c 是专门为蓝牙音 频流的传输而设计的，它可以在中等的数据传输率下获得较高的音频质量，并且 具有较低的计算复杂度。 耋瀛端应用程序 ) t p s d p l i pl 2 c p p 8 a s e b a n d r a d i o - - - - - - i + - _ 信宿i 曷应用程序 s d p d t p l 2 c 4 pl h i p 日a s e b a n d r a d i0 s 睹( 图2 4a 2 d p 的协议模型 具体的音频分发过程中，a v d t p 实体通过l 2 c a p 分组进行音频数据流的传 输和信令的交换，相应的l 2 c a p 分组用特定的协议朋艮务复用标识值( p r o t o c o l s e i c em u i t i p l e x e r ，简称p s m ) 来表明此分组的属性是a v d t p n 音频流的传输 部分共包含三种分组形式：媒介分组，用于封装音频数据流：校正分组，包含校 f 数据，可以重建无线传输中丢失的媒介分组；报告分组，包含相关的q o s 报告 数据，提供了媒介分组时问校准和分组丢失的信息。a v d t p 层中的信令提供了音 频数据流的发现、配置、建立及传输配置功能。 图2 5 描述了a v d t p 、蓝牙核心协议栈和高层应用程序的相互关系。接口1 是s d p 接口，用于高层调用实现服务发现及服务访问功能：a v d t p 和高层应用 第8 页 国防科学技术人学研究生院j 程硕十学位论文 3 2b a a s 应用模型的功能描述 下面将通过介绍b a a s 系统中各设备实体的操作与交互过程来对b a a s 应用 模型的功能进行描述： 1 ) 首先蓝牙立体声耳机要和蓝牙手机进行配对操作，经过安全验证的过程后 双方建立起服务级的连接，以确保手机来电时会自动将通话转移到耳机上。 2 ) 然后将蓝牙适配器插入便携式播放器并开启，令蓝牙立体声耳机进入可发 现模式，同时令适配器进行指定服务的发现过程，最后蓝牙适配器与立体声耳机 建立起音频流传输和音视频控制的协议层连接。 3 ) 一旦连接建立完毕，蓝牙适配器先将播放器输出的模拟音频转化为数字音 频，然后对之进行s b c 编码，经由音频流连接传输至立体声耳机；立体声耳机对 收到的音频数据进行s b c 解码操作，然后再将之转化为模拟音频，通过本地扬声 器进行音频输出。 4 ) 蓝牙立体声耳机中集成了控制器，具有播放暂停、停止、前一曲、后一曲 等功能按键。用户在使用耳机接收音频流数据的同时可以进行遥控操作。耳机把 功能键的按键信息转化为标准a v c 数字接口指令并通过蓝牙指令控制层连接传 送至适配器；适配器根据当前状态对于收到的a v c 指令通过播放器的线控接口作 出相应的控制操作。 5 ) 在使用蓝牙立体声耳机接受音频流收听音乐时，如果耳机检测到与之配对 的蓝牙手机收到外部打来的电话，则自动挂起当前音频流的传输进入到免提通话 的应用模式。待通话结束后，耳机再自动激活音频流传输，继续收听音乐。 第1 2 页 国防科学技术人学研究生院1 程硕十学位论文 第四章b a a s 硬件设计 为实现音频流传输功能，b a a s 中的信源端和信宿端均基于c s r 公司的 b l u e c o r e 3 一m u l t i m e d i a ( 以下简称b c 3 m ) 芯片来构造系统的硬件逻辑电路。b c 3 一m 是一个完整的单芯片系统，其硬件组成和底层的协议固件完全符合蓝牙1 2 协议标 准，蓝牙1 2 标准中所采用的自适应跳频技术通过统计哪些信道传输时重传的次数 较多，避开衰落大的频率信道来确保蓝牙的连接的稳定性，并减少了蓝牙与其它 无线设备之间的干扰。 r f 州 r f o u t 图4 1b c 3 - m 芯片组成原理 b c 3 一m 的组成原理如图4 1 所示，芯片内部集成了较为完整的射频单元和一 些标准的外围接口，具有8 m f l a s h 程序存储空间和3 2 k r a m 。芯片内含基带d s p 和1 6 位可编程m c u ，以及1 6 位高质量立体声c o d e c ，具有较强的信号及数据 处理能力，并降低了外围电路的复杂程度。尤其是该芯片内置了具有3 2 m i p s 处理 能力的k a l i m b ad s p 进行音频编解码处理工作。对比采用a r m 处理器、外置编解 码器或采用软件解码方案的其他蓝牙芯片，b c 3 m 的d s p 架构不仅提高了数据的 处理能力，减小了p c b 尺寸，而且极大地降低了设备的功耗。下面将分别说明信 源端和信宿端硬件组成的基本原理。 4 1 信源端硬件设计 第1 3 页 国防科学技术人学研宄生院1 样硕十。产化论文 t 图4 3 充电及电源状态指示电路 时钟电路部分，信源端采用1 6 m 晶振为射频振荡器和主芯片的内部数字时钟 电路提供参考时钟信号。应注意每种晶振都具有优化的偏移量，从而使射频振荡 器上的相位噪声降至最低。因此在使用晶振时，晶振的偏移量必须单独配罨。此 部分应根据不同厂商的晶振参考电路来设定晶振的匹配电容值，并根据射频检测 中初始化频率漂移的测试结果来调节晶振时钟的偏移参数。 按键部分，主要包括电源按键和查询按键。前者用于开关机操作，后者强制 蓝牙适配器进入到查找高级音频服务的模式。 音频接口电路部分，信源端主要通过耳机音频接口将便携式播放器左右声道 的模拟音频数据采样至b c 3 一m 主芯片。信源端首先使用本地c o d e c 对之进行双 路a d c 转换，再调用k a i i m b ad s p 对数据音频进行s b c 编码，最后通过蓝牙无 线链路转发给信宿端。 控制接口电路部分，主要负责产生用于控制播放器操作的电平信号。蓝牙适 配器同时也是音视频遥控应用模式中的目标机，适配器要根据接收到的a v c 指令 和当前的状态产生与播放器原有的线控相对应的控制电平信号，并通过线控接口 传至播放器。 4 2 信宿端硬件设计 作为音频流信宿端的蓝刁：j ：体声耳机，其组成原理如图4 4 所示 第l5 页 国防科学技术人学研究生院l 群硕十学位论文 图4 4 信佰端硬件组成原理 信宿端的电源管理部分和状态指示部分的电路设计原理与信源端基本一致， 对于原理中相似的部分此处不做赘述。不同之处主要在于信宿端加入了独立的音 频供电电路。在耳机应用中对控制噪声的要求非常严格，特别是人耳所能感应到 的2 0 h z 2 0 k h z 的频段范围，而且由于蓝牙工作的频段2 4 g h z 是一个开放频段， 所以要求音频电路的电源芯片要有很高的抑制噪声能力。我们采用了x c 6 2 0 4 b 高 速l d o 电源芯片，该芯片具有突出的抑制噪声能力( 7 5 d b l k h z ， 7 0 d b 1 0 k h z ) ，可以比常规产品省略1 个过滤噪声的旁路电容，有利于成本控制 以及p c b 的面积控制。实际的音频供电电路设计如图4 5 所示，由b c 3 m 芯片的 特定输出引脚( p i o l l ) 来驱动音频供电电路的工作。 m i c pm i c n 幽4 5 音频供l 乜l h 路原理幽 第1 6 页 四防科学技术人学明究生院l ：样硕七学化论文 对于按键部分电路而言，除开关机按键外，耳机端软件将根据当前的应用模 式决定按键的实际功能。如果耳机当前还未与蓝牙适配器建立高级音频服务的连 接，处于免提应用的工作模式，此时耳机将把按键信息解释为接听挂断电话，调 节话音音量等的免提控制操作。如果耳机已与适配器建立了蓝牙音视频控制服务 连接，处于高级音频的应用模式，此时耳机将把按键信息解释为暂停播放、停止、 前一首、后一首等对于便携式播放器的遥控操作，并将之转化为标准的a v c 数字 接口指令，通过蓝牙无线链路发往作为目标机的蓝牙适配器。 时钟电路部分，信宿端采用2 6 m 晶振为射频振荡器和主芯片的内部数字时钟 提供参考时钟信号。 音频接口电路部分，对于通过蓝牙无线链路收到音频数据流，信宿端首先使 用k a i i m b ad s p 对之进行s b c 解码操作，再由本地c o d e c 将解码后的音频数据 变为双声道模拟量予以输出。 第1 7 页 国防科学技术人学研究生院l ：样硕十学位论文 第五章b a a s 软件设计 我们使用c s r 的b l u e l a bs d k 软件开发套件来开发蓝牙音频应用的软件实 体，开发套件所编译的嵌入式程序可直接运行于b l u e c o r e 芯片内部的1 6 位m c u 之上。b l u e l a b 的底层协议栈固件提供了虚拟机( v m ) 环境，使得我们开发的应 用层软件直接运行于v m 之上的用户r a m 空间中，而蓝牙核心协议栈运行在受保 护的存储空间中。整个底层协议栈固件相当于一个组件，可被上层的应用软件所 调用，而且应用层软件不会干扰底层协议栈的正常运行。b l u e l a b 还提供了丰富的 库资源，提供了对a n s i ic 的支持以及对于蓝牙协议栈服务、芯片通用i o 引脚以 及定时器等实体的配置与访问功能。其中对于协议栈中各通信层服务的访问主要 通过调用相应的库函数来实现。 本课题主要设计并实现了b a a s 系统中蓝牙立体声耳机和蓝牙立体声适配器 的软件实体。系统中的蓝牙手机只需是符合蓝牙规范的标准音频网关设备即可， 其软件的实现不属于本文的研究范畴。 蓝牙立体声耳机需要与适配器和蓝牙手机进行交互，并同时参与免提、音频 流传输和音视频遥控三种应用模式。耳机软件实体的状态转换如图5 1 所示，图中 状态为耳机工作的主要状态，其中免提、音频流传输和音视频遥控应用中的具体 状态变化情况将在各软件应用模块的设计中予以介绍。 幽5 1耳机软件状态转换蚓 第1 8 页 国防科学技术人学 f 究生院i 科硕士学位论文 蓝牙立体声适配器相对；端信号的语音樱剩灌 晰悔；着，的翟雄寄藕新雕拳封墓涎沤磁淄瑁谢研尚i 土| i 罐二谚雠灞糯雠豸淄斟新驰 帮帕射h | 錾夏m 逼翅冥实值氯燮廖氡酣薯硝翻掣引到圣：善 ；：娑毫霞鲤擘 愎信号进行反j 相銮捌趔：叩驱蜒翮鞭蜓鬻塑露臻磊非兰m 魏翟技萄戈诓嘭鹰淦 怛嚏毽勃班鬻部妾朝所有低于某个电平阈值的信号，并且用舒适的仿真背景噪声来替代 这些信号。 单麦克风解决方案组件的原理是在回波信号上应用噪声抑制的功能，以使回 声消除器可以更加准确地确定出回波信号的功率电平。通过消除因噪音附着而导 致的失真，使回声消除器可以准确的识别音频信号的增益水平。这样就显著降低 了回声消除器将回声信号误认为是有效语音信号的可能性。 6 2 自适应滤波算法 自适应滤波器以最小均方( l e a s tm e a ns q u a r e ，简称l m s ) 算法为基础。采 用l m s 算法的自适应滤波器原理如图6 2 所示。在图6 2 中，假设x ( k ) 为k 时刻 滤波器存储的输入序列状态向量 x ( k ) 2 x( k ) ，x ( k 1 ) ，x ( k - n ) 】1 ( 1 ) 设谢( k ) 为滤波器k 时刻第i 个权值，则与输入向量相对应的自适应滤波器权 向量为 在图6 2中 在图6 _ 2中 w ( k )= w o ( k ) ，w l ( k ) ，w 2 ( k ) ，、v n ( k ) 7 ( 2 ) d ( k )为k 时刻参考信号，y ( k ) 为滤波器k 时刻的输出 国防科。学技术人学研究生院i 。科硕士学位论文 程序在匹配模式下首先调用函数进入到d i s c o v e r a b l e 状态，此时对蓝牙手机进行操 作令其开始查找h f p 服务，免提软件实体将根据收到的查询消息对a g 作出回复， 并对之发起验证请求。a g 收到h f 的验证请求，输入相应的p i n 码发至h f 。免 提软件实体调用函数对p i n 码进行验证，并将p i n 码确认的消息返回给a g ，以结 束匹配的过程。匹配成功后，h f 向a g 发起建立服务级连接的过程。h f 首先通 过查找服务发现记录获得必需的参数，初始化与a g 的r f c o m m 连接，再与a g 建立服务级的连接。在得到a g 返回的确认信息后，免提软件实体则认为已经与 远端a g 建立了服务级连接。 a p p ii c a t i o n坪硒 h b i n j t ；a 廿0 n * 节i n i te f h 巳油i d i ”7 袖i - s t l r tl “哪 g - i 唧i r y i 岫 u 廿w i 女r e q 日rp l ne o d o i i r 惦- p j 旧 i d n e c t批r i 舶 s l c 0 w v 他t c o 印t h 慵。吖黼t s l cc n e c te f t o ：_ - _ r d r i q 。 n a n d a t 删n d ，r 9 0 r 啊 0 n s e一啪蔗s h f p s l ；n t 1 n e c t0 ；t 。”m t i ” s l c - 0 i s c 0 n c f _ 图5 3 免提应刚的通信流程 a t 命令与响应阶段，此时h f 和a g 端可通过在r f c o m m 层传输蓝牙耳机 应用框架规范中的a t 指令以实现蓝牙免提通话的全部功能。如图5 4 所示，比如 蓝牙手机收到来电，则会向耳机发送振铃i u n g 指示，耳机即可本地驱动扬声器 进行实际的振铃提示。此时耳机可按下接听按键触发“a t + c k p d = 2 0 0 ”指令发往 手机，与之建立s c 0 通话连接，实现免提接听的功能。在免提通话的过程中a g 还可以通过发送结果码“+ v g s ”和“+ v g m ”来控制h f 的扬声器及麦克风的增 益值。如果h f 通过按键调整了本地音量，也会发送“a t + v g s ”和“a t + v g m ” 第2 0 页 国蓑罅弘“苦墓学研究生雾i 罐询：i 互蛋 i 疆螽淄髦蒸蓊进仃撂臻箨茹! i 刖鬟彰蓍罚勰l ! 薹i 嬲型萋薹 l ；均可以在薹i 藿i 盯雾醴聪开湘鲫萋i i 默；l 霉i 讲弓孑备羹醚 i 撑嚣丽m j 墨l ；继蕴蜡鑫 软件实体首贬劐篓囊纛；! i 囊! 萎圃i ；蠕般忆婴筝墨毫嚣戳剀i i 霎； i 鞋扛蘸鸥昭绣獭磁罐! 蔓；一 i 毒l ；紊薛 i 罐崮溷鞯两怄爱扛垂鬻i ；尊! i 妻i i l 薯i 羹赢冬受孽璎强衙衙 髦l 萋硼固卫蔓! i 篓l l 鐾霪笔菲翼萋幢皓垡喜盟亘望霉琴博噶帐键罐罐嵫椎彤 鬻一 国防科学技术人学研究生院i ：样硕十学位论文 流建立阶段，具体的建立过程如图5 6 所示。首先出信源端程序发起流端点发 现过程，查找并发现信宿端的流端点。然后信源端收集信宿端流端点所包含的服 务能力信息。在了解到信宿端的服务能力之后，信源端进入到c o n f i g u r i n g 状态。 信源端选择合适的音频流参数对流端点进行应用服务能力( 比如采样频率) 和传 输服务能力( 比如多路复用) 的配置，配置过程中分配给流端点的资源将被锁定。 正确配置完s e p 后，信源端发起音频流连接建立过程，建立l 2 c a p 信道连接并打 开相应的传输会话，进入到a v d t p 连接状态。一旦建立了音频流连接，则后续的 操作可由信源和信宿两端中的任何一方发起，软件中相应的设备脚色也转换为发 起方i n t 和接受方a c p 。 图5 6 晋频流的建立连镁过程 数据流传输阶段，启动的过程如图5 7 所示。首先由信源端和信宿端的任意一 方调用函数启动数据流传输，使得信源端和信宿端都处于随时准备收发数据的 s t r e 锄i n g 状态。音频流传输时，信源端首先调用c o d e c 库函数通过音频接口对 便携式播放器输出的模拟音频数据进行采样、量化、编码的a d c 转换工作。然后 调用d s p 库中相应的编码函数对音频数据进行s b c 编码操作。最后在a v d t p 层 把数据流封装为媒介分组，经由l 2 c a p 信道传至蓝牙底层协议最终形成基带分组 通过无线链路传输到信宿端；信宿端将收到的底层分组进行重组并在a v d t p 层还 原为媒介分组。然后调用d s p 解码函数对接受到音频数据进行s b c 解码操作。最 后调用c o d e c 库函数将解码生成的数字音频数据变换为模拟音频信号驱动本地 扬声器进行输出。 第2 3 页 国防利学技术人学研究生院工程硕十学位论文 图5 7 音频流的启动传输过程 音频流释放阶段，释放的过程如图5 ，8 所示。由任意一端作为i n t 调用函数关 闭本地流端点。一旦a c p 端收到远端流端点关闭的消息，则释放分配给本地流端 点的相关资源，i n t 端收到流端点的资源已被释放的确认信息后，继而释放本地流 端点资源并断开相应的传输信道，回到r e a d y 状态。 图5 8 音频流的释放过程 音频流传输软件实体的状态转换过程如图5 9 所示。 第2 4 页 国防科学技术人学研究生院 ：样硕十学位论文 图5 9 音频流传输软什实体的状态转换 实际的软件设计过程中，必须考虑通信过程中所有可能出现的逻辑错误情况， 并且在逻辑错误处理函数中要求针对每一种错误都要有相应的处理程序实体，现 将我们考虑到的在音频流传输过程中可能出现的主要逻辑错误枚举如表5 _ 2 ： 表5 2 音频流传输应刖中的主要逻辑错误 序号错误类型说明 1 a 2 d p j i l i t _ 筋1 应用框架实例初始化失败 2 a ：2 d p d e v i c e n o t - c o 衄e c t e d目标设备已断开连接 3 a 2 d p j i m e o u t等待响应超时 4 a 2 d p s e r v i c e - c 印t e r r o r获取服务能力信息出错 5 a 2 d p u n s u p p o r t e d _ f e a t u r e访问远端不支持的特性 6 a 2 d p _ u n k n o w l s e i d无法识别的端标识s e i d 7 a 2 d p c l o s e d b y _ r e m o t e _ d e v i c e 远端设备已经关闭流端点 8 a 2 d pu n s u p p o n e d c o d e c不支持的编码方式 9 a 2 d p n o r e s o u r c e访问或配置不存在的资源 1 0 a 2 d p r e j e c t e d b y r e m o t e d e v i c e 操作被远端设备拒绝 1 l a 2 d p s e r v i c e c a p s i n c o m p a t i b l e两端流端点的服务能力不匹配 第2 5 弧 国防科学技术人学研究生院i ：程硕十学位论文 5 3 音视频遥控应用的软件设计 为实现音视频控制指令的传输，我们根据音视频遥控框架a v r c p 中所描述的 通信流程构造了遥控应用软件的实体。其中立体声耳机作为遥控器c t ，蓝牙适配 器作为目标机t g 。并使遥控应用与免提应用和音频流传输应用一起协同工作。 遥控应用的软件核心部分被构造成一个有限状态机，它通过a v c t p 层进行信 令的交换并根据响应信息进行状态的跃迁，从而实现控制信道的配置过程、建立 过程、基于a v c 指令集的数据分组收发处理过程和信道的释放过程。信令的交换 采用命令响应事务模型，即t g 对于收到的信令必须回复相应的响应信息。应用 程序中定义了超时定时器r t xt i m e r ，一旦在定时器窗口内t g 无法生成回复信 息，则向c t 发送中间响应i n t e r i m 消息表示最终响应稍后到达，以防止超时引起 底层服务断开连接。 音视频遥控的通信流程基本上可为初始化、连接建立、指令响应分组的生成 与传输和连接释放四个阶段，如图5 1 0 所示。图中的虚线表示信令和响应消息在 c t 和t g 两端的蓝牙底层进行无线传输。下面将对一般的通信过程中软件所定义 的状态和函数消息调用过程作以描述。 c t 应用程序鼬舯a 、脚t g 应用 a v r c p i n i t a v r c p i n i t i n i t i j i i h i t f - i h lta - - v r c p c o n n e c t 。 n 眶c tl 町 c o n n e c t a v r c o n n e c 晾e s c o n 眶c t c f m c o - - a n d r e a u e s t c o n a n d h h i dl - d r e o d o n d c 。_ 。n 嘏。 c o m h a 帕f m v r c p d ；s c o n n e c t 。 l $ c o n n e c t d i s c 0 0 畦c t i 町 d i s c 0 0 n e c t l 帕 程序 幽5 1 0 监牙遥控应川的通信流程