（微电子学与固体电子学专业论文）基于蓝牙的无线语音通信技术研究.pdf

摘要 摘要 蓝牙 b l u e t o o t h 是一种新的用于建立短距离无线通信网络的无线接入技术 它具有方便 灵活 成本低和功耗低等优点 并且在全球范围内技术标准是完全 开放的 经过多年的论证和发展 这项技术已经日臻完善和成熟 具有非常广阔 的应用前景 本论文选择蓝牙技术为研究对象 首先对蓝牙协议规范及其应用框架进行了 深入地研究 其次 根据蓝牙语音网关与耳机系统的开发特点 对蓝牙语音通信 系统中蓝牙单芯片软件开发平台和硬件开发平台的搭建进行详细的说明 在此基 础之上 根据蓝牙语音网关及耳机的原理 实现了语音网关和耳机之间从协议栈 底层到上层蓝牙链路的建链过程 并设计出蓝牙语音网关及耳机高层应用的系统 流程 最终实现软件的编程 最后 通过调试 实现了音关耳机系统的通信功能 使蓝牙音关与耳机在1 0 米范围内能保持良好的音质 能充分满足语音通话的要求 达到设计目标 总之 本文主要为了实现蓝牙技术的一个重要应用一语音传输应用 在此之 上 较全面的论述了蓝牙通信技术的协议规范及蓝牙应用开发的方法及步骤 掌 握了蓝牙无线接入这门新技术 为将来进一步地深入研究蓝牙技术 开发蓝牙产 品奠定了坚实的基础 关键字 蓝牙语音网关耳机 a b s t r a c ti i i a b s t r a c t b l u e t o o t hi sa l lo p e nt e c h n o l o g ys p e c i f i c a t i o nf o rw i r e l e s sa c c e s st os h o r t r a n g e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s a san e ww i r e l e s st e c h n o l o g y b l u e t o o t hi s c h a r a c t e r i s t i co fm a n ya d v a n t a g e s b e i n gm o r ec o n v e n i e n t m o r ef l e x i b l e a n da tl e s s c o s ta n d p o w e rc o n s u m p t i o n a n di ti sc o m p l e t e l yo p e na r o u n dt h ew o r l d a f t e rs e v e r a l y e a r s d e m o n s t r a t i o na n dd e v e l o p m e n t t h i st e c h n o l o g yh a sb e e nr a t h e rc o n s u m m a t ea n d m a t u r e a n di t sa p p l i c a t i o ni sa l s op r o m i s i n gi nt h ef u t u r e t h et h e s i ss t r e s s e do nb l u e t o o t ht e c h n o l o g yf o rt h er e s e a r c ho b j e c t f i r s to fa l l i d e e p l yr e s e a r c h e d t h e p r o t o c o ls p e c i f i c a t i o na n d i t s a p p l i c a t i o np r o f i l e t h e n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fb l u e t o o t ha u d i og a t e w a ya n dh e a d s e t ip r e s e n t e d b l u e t o o t hs o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i ta n dh a r d w a r ed e v e l o p m e n tk i ti nd e t a i l o nt h i s b a s i s ia n a l y z e dt h ep r i n c i p l eo fb l u e t o o t ha u d i og a t e w a ya n dh e a d s e t i n c l u d i n gt h e e s t a b l i s h m e n to fl i n kf r o mb o r o ms t a c ku pt oh i g h e rl a y e r sa n da p p l i c a t i o nm o v e m e n t a n dw o r k e do u tt h ep r o c e s so fs y s t e ma n da p p l i c a t i o ns o f t w a r er e a l i z a t i o n l a s to fa l l t h r o u g hd e b u g g i n g t h ea u d i og a t e w a ya n dt h eh e a d s e tc a nm a i n t a i ng o o da u d i oq u a l i t y b e t w e e n10m e t e r s b ea b l et of u l l ym e e tt h er e q u i r e m e n t so fa u d i oc o n n e c t i o n i nc o n c l u s i o n t h em a i nt a s ko ft h i st h e s i si st or e a l i z et h ea u d i ot r a n s m i s s i o nb a s e d o nt h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g y a n dc o m p r e h e n s i v ee x p o s i t i o no ft h eb l u e t o o t hp r o t o c o l a n db l u e t o o t ha p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t t h i sm a k e su sl e a r nt h ec o r et e c h n o l o g yo f b l u e t o o t h a n ds e t su paf i r m l yb a s ef o rf u t u r ec o m p l i c a t e dr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti n b l u e t o o t h k e y w o r d s b l u e t o o t h a u d i og a t e w a yh e a d s e t 西安电子科技大学 学位论文独创性 或创新性 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德 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取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果 也不包含为获得西安电子科技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已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处 本人承担一切的法律责任 本人签名 日期丝 竺 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定 即 研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学 学校有权保 留送交论文的复印件 允许查阅和借阅论文 学校可以公布论文的全部或部分内 容 可以允许采用影印 缩印或其它复制手段保存论文 同时本人保证 毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学 保密的论文在解密后遵守此规定 本学位论文属于保密 在一年解密后适用本授权书 本人签名 丝垒整 导师答名 卜 孓通 i 孓一l 是 导师签名 二 兰 日期丝 兰 日期 里 竺 第一章绪论 第一章绪论 1 1 蓝牙技术背景介绍 随着电子信息产品的发展 我们身边的信息电器越来越多 这其中包括计算 机 通信设备 网络和家用电器 与此同时 电器之间的连线也越来越多 计算 机周边除了鼠标和键盘线以外 还有主机与打印机 扫描仪 外置调制解调器等 各种外设之间的连线 电缆除了给我们造成诸多使用不便之外 连线常出故障 各种电缆之间也无法通用 蓝牙正是为了解决这种不便提供了一个既经济又方便 的解决方案 以 无线替代电缆 是蓝牙开发的初衷 也是它最基本的用途 蓝牙技术是爱立信公司在1 9 9 4 年提出的一种最新的短距离无线通信技术标 准 其最初目的是在移动电话及其附件之间探求一种新的低功耗 低成本的空中 接口 研究的目的之一是要找到一种新的连接方式 能够去除连接移动电话与耳 机 笔记本电脑及其他设备之间繁杂的线缆 但更重要的目的则是分析有多少种 不同的通信设备可以通过移动电话接入到蜂窝中 爱立信公司得出的结论是蜂窝 网的最后一段应该是短距离的无线连接 爱立信将这项新的无线通信技术命名为 蓝牙 b l u c t o o t h 爱立信在此领域的研究引起了i b m 英特尔 诺基亚 东芝公 司的注意 这五家公司于1 9 9 8 年2 月倡议组成了蓝牙特殊利益小组 s i g 致力 于蓝牙技术标准的制定 蓝牙产品的测试以及协调各国蓝牙使用频段的一致性 1 9 9 8 年5 月 s i g 正式成立 随后又有四家公司 即3 c o m 朗讯 微软和摩托 罗拉加入了s i g 共同构成了s i g 的九个创始公司和领导成员 蓝牙即使是便携 式电子设备和固定式电子设备之间代替电缆连接的短距离无线通信的标准 将各 种数字信息的外部设备用无线方式连接起来 进而形成一种个人周围领域的网络 使得在其范围之内各种信息化的移动便携设备都能实现无缝的资源共享 它使用 跳频 f h 和时分复用 t d d 等技术 来建立各种通信与信息系统之间的信息 传输 自s i g 成立以来 加盟的公司已超过2 0 0 0 个 其中包括诸如a m d 戴尔 惠普 德州仪器 以及卡西欧 飞利浦 三星等许多世界著名的计算机 通信以 及消费电子产品领域的企业 甚至还有汽车与照相机的制造商和生产厂家 一项 公开的全球统一的技术规范得到工业界如此广泛的关注和支持是以往所罕见的 这说明蓝牙技术具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场 2基于蓝牙的无线语音通信技术研究 1 2 蓝牙技术的国内外研究现状 未来的信息家电将以i n t e r n e t 和家庭网络为基础 以无线连接实现双向传输 是具有一定智能的3 c c o m p u t e r c o m m u n i c a t i o n c o n s u m e r 相融合的信息产品 蓝牙技术是符合信息家电发展的优选技术 蓝牙技术把各种便携式电脑与蜂窝电 话用无线电连接起来 使计算机与通信更加密切结合 使人们能随时随地进行数 据信息的交换与传输 因此 计算机行业 移动通信行业都对蓝牙技术很重视 认为将对未来的无线移动数据通信业务有巨大的作用 预计在近几年内无线数据 通信业务将迅速增长 蓝牙技术被认为是无线数据通信领域最为重大的发展之一 如何把握蓝牙技 术给我国信息产业和信息技术研究带来的前所未有的机遇 是信息技术科研人员 和信息产业从业人士应当回答的问题 蓝牙技术作为无线通信技术领域的最新重 大进展 代表着短距离无线通信技术的未来发展潮流 其通信协议体系是具有基 础性 战略性 前瞻性和重大关键性的体系 发展具有自主产权的蓝牙基础协议 平台及其相关应用产品 对于我国在短矩离无线通信领域取得国际领先优势 对 于信息家电 工业 医用 军事等国民经济和国家安全领域均具有不可忽视的战 略意义 蓝牙技术主要面向网络中各类数据及设备 如c p 拨号网络 笔记本电脑 打印机 数码相机 移动电话和高品质耳机等 通过无线方式将它们连成一个微 微网 p i c o n e t 多个微微网之间也可以互连形成树状网络 s c a n e r n e t 从而方便 快速地实现各类设备之间的通信 它是实现音频和数据无线传输的开放性规范 是一种低成本 短距离的无线连接技术 在中国北京邮电大学的周正李帧等人也组成了中国的蓝牙研究小组力图推动 蓝牙在中国的广泛使用 但由于先前缺乏企业的资金支持 整个的项目研究一直 停滞在理论研究阶段 由华为 联想 康佳等t i 业和家电业巨头组成的 中国闪 联 已经将蓝牙技术作为今后中国数字家庭中小数据量传输和交换的主要手段之 一 整合到家电 电脑和监控系统等 蓝牙技术可以说在中国已经扬帆启航 1 3 蓝牙耳机的发展趋势及前景 蓝牙耳机是蓝牙技术发展后的主要应用设备之一 当今我们日常生活中听到 过的蓝牙最为广泛的应用当属蓝牙耳机了 曾经蓝牙耳机是作为一项高科技出现 在我们的现实生活当中 当时带有蓝牙功能的手机也寥寥无几 而且价格也不能 被广大消费者所接受 而今 纵观手机市场 几乎7 0 的手机都具有蓝牙功能 著名的手机厂商甚至在今年发布的部分低端低价手机上也开始加入了蓝牙功能 蓝牙已经普及到了我们的日常生活当中 而蓝牙耳机的价格也已经到了大众所能 消费的水准 图1 1 为索爱公司的最新蓝牙立体声耳机 第一章绻论 图l1 索爱公司蓝牙立体声耳机 蓝牙耳机的诞生也大大的方便了我们的生活 比如在开车的时候 如果用普 通的手机打电话时非常危险的事情 而使用蓝牙耳机进行通话大大降低了这种危 险性 欧洲的一些国家已经发布了驾车驶拨打电话必须使用蓝牙耳机的交通规定 由于有了蓝牙耳机 我们也可以边做家务边打电话 解放自己的双手 完全摆脱 了电话线的困扰 而且有了蓝牙耳机 我们在打电话时大大减少了辐射 尤其是 当手机信号只有一格时 手机功率会增大 辐射随之增大 而蓝牙耳机的辐射量 大概只是手机的十分之一左右 仅这点而言 蓝牙耳机对于现在注重健康的消费 者就有着很大的吸引力 随着今后人们生活水平的提高 蓝牙耳机也会随着手机 一同普及 随着科技的发展 蓝牙耳机的种类也在不断的完善中 早期的蓝牙耳机 多 为单声道蓝牙耳机 这种蓝牙耳机多定位于接打电话使用 采用单声道传输 单 声道蓝牙耳机随着蓝牙技术的成熟 成本控制已经十分完善 主流产品价格已经 稳定在2 0 0 元以内 对于只有通话需要的消费者来说 十分合适 当然 我们现在的蓝牙耳机的应用并不仅限于免提通话 现在各大手机厂商 和蓝牙设备厂商也开始推出用于无线音乐的立体声耳机 随着音乐手机的普及 大家都已经放下了手中的m p 3 开始习惯了使用手机来听音乐 但是长长的耳机 线终究是一件麻烦的事情 有了立体声蓝牙耳机 可以摆脱线的束缚 何乐而不 为呢 而且现在的便携产品 为了追求更长时间的电量使用时间 其耳机输出功 率都尽可能的小化 驱动有线耳机的效果不佳 蓝牙立体声耳机就避免了这个问 4 基于蓝牙的无线语音通信技术研究 题 并且蓝牙耳机还没有有线耳机的接口限制 即使是换了手机也可以继续使用 原来的耳机 完全不需要额外购买任何新设备 从现在的市场来看 中国的蓝牙耳机市场已渐成规模 据a b i 的调查显示 尽管蓝牙市场有点迟滞 但其发展势头并没有丝毫减缓 继2 0 0 5 年全球蓝牙产品 市场发量翻番之后 今年该市场增长幅度有望达到7 1 而到2 0 0 9 年时 蓝牙 模块产品的发货量将突破1 0 亿枚大关 这一里程碑式的记录表明 经过几年的摸 索 蓝牙已经逐渐找到自己的产品定位 手机 耳机两大市场已成为蓝牙未来持 续增长的两大板块 一位业内资深人士解释 蓝牙出货量的强劲增长 归功于它 在手机市场的迅猛普及 以及在蓝牙耳机市场继续保持爆炸性增长 国内的手机 用户数量是相当惊人的 这为蓝牙耳机提供了广阔的发展空间 当人们逐渐意识 到蓝牙耳机的用途后 对蓝牙耳机产品还是很容易接受的 随着科技的不断发展 蓝牙耳机还在不断的完善中 相信蓝牙耳机将会取得越来越好的成绩 1 4 本论文的意义和研究内容 蓝牙技术是一种能够进行数据通信与语音通信的开放性的短距离无线通信 技术规范 蓝牙技术工作在频段为全球通用的无需申请的2 4 h z 的i s m 频段上 与工作在相同频段的系统相比 蓝牙的跳频更快 数据包更短 这使蓝牙比其他 系统都更稳定 从目前的应用来看 蓝牙技术可应用于任何短距离内用无线方式 替代线缆的场合以及嵌入式系统中 由于蓝牙技术的诸多优点 并且在全球范围 内技术标准是完全开放的 经过多年的论证和发展 这项技术已经日臻完善和成 熟 具有非常广阔的应用前景 国内对蓝牙技术的起步较晚 但是我国对蓝牙的 研究已经取得了一定的进展 已经有部分自主知识产权的蓝牙产品上市 我国政 府对于蓝牙技术的发展与应用给予了很大的支持 为了促进蓝牙在中国的发展 国家科研部已经将蓝牙技术的研究与应用列入 8 6 3 计划 我们应该抓住机遇 利用这一项应用广泛的高新技术带动传统产业的改造 加速实现我国信息化的进 程 积极研究蓝牙技术具有紧迫的现实意义 本课题就是在这样的环境下提出的 本课题通过蓝牙技术实现语音的无线传输 蓝牙耳机提供了一个安全 h a n d f r e e 的途径来发送和接收呼叫并进行语音传输 尤其当用户不方便手持手机的时候 这种方式显得尤为便利 本文主要针对蓝牙语音网关和蓝牙耳机从理论研究到功 能实现做了详细的介绍 在蓝牙耳机和语音网关之间建立蓝牙通信链路并实现高 层的应用 论文内容主要分为五章 从第二章开始为 第二章 首先介绍蓝牙技术的特点 将蓝牙技术与其它短距离无线通信技术 进行比较 体现了蓝牙的技术优势 从而阐述了蓝牙技术的应用前景 然后介绍 第一章绪论 5 蓝牙协议栈的体系结构及应用框架 最后讨论蓝牙应用的两种模式及蓝牙的语音 编码技术 第三章完成了蓝牙语音通信系统开发平台的搭建 包括硬件平台的搭建及软 件平台的搭建 硬件开发平台主要包括蓝牙开发板及c s r 公司的b c 0 4 蓝牙模块 软件开发平台主要包括b l u e l a b 3 6 下的集成开发环境x i d e b l u e l a b 3 6 中的软件开 发工具及一些库函数 最后还对本文所采用的固件进行详细的说明 第四章主要对蓝牙语音通信系统 蓝牙语音网关及蓝牙耳机进行深入的讨 论 首先对蓝牙语音通信系统进行了简要介绍 包括蓝牙语音网关协议栈及其实 现 系统的软件结构 然后重点分析了蓝牙语音网关与耳机通信链路的建立流程 最后分别讨论了蓝牙语音网关及蓝牙耳机的软件设计流程及主要函数的实现 第五章对本文工作进行总结 第二章蓝牙技术介绍 7 第二章蓝牙技术介绍 作为新兴的 发展迅速的无线通信技术 蓝牙具有怎样的技术特点和优势呢 本章主要介绍了蓝牙技术的技术特点 应用前景 以及蓝牙规范的体系结构 应 用框架的定义等蓝牙基础问题 并对蓝牙语音编码技术进行了深入的研究 为后 续章节提供了理论和实践的基础 2 1 蓝牙技术概述 蓝牙 2 是无线数据和语音传输的开放式标准 它将各种通信设备 计算机及其 终端设备 各种数字数据系统 甚至家用电器采用无线方式连接起来 它的传输 距离为1 0 e r a 1 0 m 如果增加功率或是加上某些外设便可达到1 0 0 m 的传输距离 它采用2 4 g h zi s m 频段和调频 跳频技术 使用前向纠错编码 f e c a r q t d d 和基带协议 t d m a 每时隙为6 2 5 9 s 基带传输速率为1 m b p s 最新的e d r 技术使 该速率提高至3 m b p s 蓝牙支持6 4 k b s 实时语音传输和各种速率的数据传输 语音 编码为线性脉冲编码调f 1 i j p c m p u l s ec o d em o d u l a t i o n a 律p c m 或连续可变斜率 增量调铝t j c v s d c o n t i n u o u sv a r i a b l es l o p ed e l t am o d u l a t i o n 发射功率分别为 l m w 2 5 m w 和1 0 0 m w 并使用全球统一的4 8 比特的设备识别码 由于蓝牙采用 无线接口来代替有线电缆连接 具有很强的移植性 并且适用于多种场合 加上 该技术功耗低 对人体危害小 而且应用简单 容易实现 所以易于推广 目前 已有很多蓝牙产品已经问世 一些芯片厂商已经开始着手改进具有蓝 牙功能的芯片 与此同时 一些颇具实力的软件公司或者推出自己的协议栈软件 或者与芯片厂商合作推出蓝牙技术实现的具体方案 尽管如此 蓝牙技术要真正 普及开来还需要解决以下几个问题 首先要降低成本 其次要实现方便 实用 并真正给人们带来实惠和好处 第三要安全 稳定 可靠地进行工作 第四要尽 快出台一个有权威的国际标准 一旦上述问题被解决 蓝牙将迅速改变人们的生 活与工作方式 并大大提高人们的生活质量 1 蓝牙技术特点 蓝牙 b l u e t o o t h 技术是一种低功耗短距离无线通信技术 是实现语音和数 据无线传输的全球开放性标准 它使用跳频扩谱 f h s s 时分多址 t d m a 码分多址 c d m a 等先进技术 在小范围内建立多种通信与信息系统之间的信 息传输 蓝牙技术特点概括为如下几个方面 6 儿l 8基于蓝牙的无线语音通信技术研究 1 全球范围适用 蓝牙工作在2 4 g h z 的i s m 频段 全球大多数国家i s m 频段的范围是 2 牝 4 8 3 5 g h z 使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证 2 同时支持语音和数据传输 蓝牙基带协议是电路交换与包交换的结合 使蓝牙技术可以同时适合传送语 音和数据 蓝牙支持实时的同步定向连接 s c o 链路 和非实时的异步不定向连 接 a c l 链路 前者主要传送语音等实时性强的信息 后者则以数据包传输为 主 并且语音和数据可以单独或同时传输 在一对蓝牙设备之间 蓝牙协议支持 一条a c l 链路 用来传送数据 支持对称或非对称的 分组交换 点到多点的连 接 蓝牙v 1 2 标准在对称连接情况下 支持4 3 3 9 k b p s 的全双工通信 在非对 称连接时 最大速率为正向7 2 3 2 k p b s 反向5 7 6 k b p s 在一对蓝牙设备之间 蓝 牙协议支持三个s c o 链路 用来传输语音 支持对称的 电路交换 点到点的连 接 每个s c o 链路传输速率为6 4 k b i t s 语音编码方式采用p c m 脉冲编码调制 或c v s d 连续可变增量斜率调制 可由用户选择 c v s d 方式抗衰落性强 即使误码率达到4 话音质量也可接受 所有的话音和数据分组都附有不同级别 的前向纠错 f e c 或循环冗余校验 c r c 而且可进行加密 3 可以建立临时性的对等连接 a d h o cc o n n e c t i o n 根据蓝牙设备在网络中的角色 可分为主设备 m a s t e r 与从设备 s l a v e 主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备 而连接响应方则为从设备 几 个蓝牙设备连接成一个微微网 p i c o n e t 时 其中只有一个主设备 其余的均为 从设备 微微网是蓝牙最基本的一种网络形式 最简单的微微网是一个主设备和 一个从设备组成的点对点的通信连接 多个微微网在时间和空间上相互重叠而构成的更加复杂的网络拓扑结构被称 为散射网 s c a t t e r n e t 散射网中的蓝牙设备既可以是某个微微网的从设备 也可 以是另一个外网的主设备 每个微微网的跳频序列各自独立 互不相关 同一微 微网的所有设备跳频序列同步 基于时分复用技术和蓝牙设备的平等性 一个蓝 牙设备便可以同时与几个不同的微微网保持同步 具体来说 就是该设备按照一 定的时间顺序参与不同的微微网 即某一时刻参与某一微微网 而下一时刻参与 另一个微微网 因此在蓝牙组成的系统中没有基站的概念 所有的设备都是可移 动的 并且组网十分方便 图2 1 为蓝牙设备组网的各种方式 第二章蓝牙技术介绍 9 图2 1 蓝牙组网模式p j 4 分层次的协议结构 和许多通讯系统一样 蓝牙的通讯协议也采用层次式结构 蓝牙协议可以分 为4 层 即核心协议层 电缆替代协议层 电话控制协议层和可选协议层 蓝牙 的核心协议包括基带协议 b a s e b a n d 链路管理协议 l m p 逻辑链路控制 与适应协议 l 2 c a p 以及业务搜寻协议 s d p 四部分 电缆替代协议层包括基 于t s0 7 1 0 的r f c o m m 协议 电话控制协议层包括t c s 二进其制 a t 命令集 可选协议根据不同的应用可以包括很多 例如p p p u d p t c p 口 o b e x w a p v c a r d v c a l i r m c 以及w a e 等 除上述协议层外 规范还定义了主机控制器接口h c i h o s tc o n t r o li n t e r f a c e 它为基带控制器 链路管理器 硬件状态和控制寄存器提供命令接口 以h c i 作 为分界线 将蓝牙协议分为底层和高层 底层为各类应用所通用 高层则视具体 应用而有所不同 通过h c i 来实现高层和底层的连接 层次结构使设备具有最大 的通用性和灵活性 根据通讯协议 各种蓝牙设备无论在任何地方 都可以通过 人工或自动查询来发现其它蓝牙设备 从而构成微微网和散射网 实现系统提供 的各种功能 使用起来十分方便 5 具有很好的抗干扰能力 工作在i s m 频段的无线电设备有很多种 如家用微波炉 无线局域网 w i r e l e s s l o c a la r e a n e t w o r k a n 和h o m e r f 等产品 为了很好地抵抗来自这些设备 的干扰 蓝牙采用了跳频 f r e q u e n c y h o p p i n g 方式来扩展频谱 s p r e a ds p e c t r u m 将2 4 0 2 一2 4 8 g h z 频段分成7 9 个频点 相邻频点间隔1 m h z 蓝牙设备在某个频 点发送数据之后 再跳到另一个频点发送 而频点的排列顺序则是伪随机的 每 秒钟频率改变1 6 0 0 次 每个频率持续6 2 5 s 6 蓝牙模块体积很小 可以方便地集成到各种设备中 由于个人移动设备的体积较小 嵌入其内部的蓝牙模块体积就应该更小 例 如c a m b r i d g e s i l i c o nr a d i o c s r 公司设计的蓝牙b l u e c o r e 4e x t e r n a l 芯片面积仅 1 0基于蓝牙的无线语音通信技术研究 6 车6 r a mo 7 低功耗 蓝牙设备在通信连接状态下 有4 种工作模式 激活 a c t i v e 模式 侦听 s n i f f 模式 保持 h o l d 模式和休眠 p a r k 模式 激活模式是正常的工作状态 另外 三种模式是为了节能所规定的低功耗模式 在侦听模式下 从设备降低了从微微网 收听 消息的速率 仅在特定的时 隙上嗅探 而在空时隙上侦听 以节约功率 嗅探的时间间隔可以根据应用要求 作适当调整 主设备将定期唤醒处于节能状态下的从设备 唤醒周期一般为若干 个时隙 在唤醒期间 侦听设备可以发送数据 在保持模式下 只有一个内部计数器在工作 主设备可以把某台从设备置为 保持模式 从设备也可以主动要求被置为保持状态 从设备停止监听来自主设备 的数据分组 但保持其激活成员地址 一旦处于保持状态的单元被唤醒 则数据 传送立即重新开始 保持状态一般被用于多个微微网相连的情况 或者用于连接 耗能低的设备 在休眠模式下 主从设备间依旧保持同步 此时从设备不需要保留其激活成 员地址 a ma d d r 但又被赋予了一个8 b i t 的休眠成员地址 p m a d d r 偶 尔收听主设备的消息以保持与微微网的同步 激活成员地址和休眠成员地址的结 合可以使一个微微网中有2 5 6 个蓝牙设备同步运行 但是同时只有8 个设备可以 互相交换数据 这3 种节能模式中 侦听模式的功耗最高 对于主设备的响应最快 休眠模 式的功耗最低 对主设备的响应最慢 8 开放的接口标准 s i g 为了推广蓝牙技术的使用 将蓝牙的技术标准全部公开 全世界范围内的 任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发 只要最终通过s i g 的蓝牙产品兼容 性测试 就可以推向市场 这样一来 s i g 就可以通过提供技术服务和出售芯片等 业务获利 同时大量的蓝牙应用程序也可以得到大规模推广 9 成本低 纵观蓝牙1 2 规范 蓝牙在各个方面采用的技术都为相对来说比较简单和成熟 的技术 比如在调制方面 采用最小高斯频移键控 g f s k 方式 在纠 检错方 面 采用1 6 位的循环冗余校验 c r c 以及1 3 和2 3 前向纠错编码 f e c 这 些技术都可利用简单的电路实现 所以相对其它先进和复杂的技术而言 成本较 低 同时 蓝牙技术一经推出就得到很多公司的响应 各个供应商纷纷推出自己 的蓝牙芯片 随着市场需求的扩大 蓝牙产品的价格也飞速下降 目前 蓝牙芯 片的量产价格已经突破5 美元 而且还有进一步下滑的趋势 如今 集成电路设 第二章蓝牙技术介绍 计和工艺的快速发展 也为蓝牙产品成本的降低打下了坚实的基础 2 蓝牙技术的应用 蓝牙技术使各种移动设备 计算机外设等数字设备之间的无线廉价连接称为 可能 它不仅取代了这些设备之间的电缆连接 而且还使得许多数字设备的功能 得到了扩充 让原来独立的数字设备可以与其他设备连网交换信息 蓝牙规范接口可以直接集成到笔记本电脑或者通过p c 卡或u s b 接口进行连 接 可以通过蓝牙蜂窝电话连接远端网络 利用蓝牙蜂窝电话做扬声器 在蓝牙 笔记本电脑 手持机和移动电话间进行商用卡交易 在蓝牙笔记本电脑 手持机 和移动电话间进行时间同步等等 蓝牙是一个独立的技术规范 不依赖于任何其 他的技术规范 1 个人局域网 蓝牙规范接口可以直接集成到蜂窝电话中或通过附加设备进行连接 电话的 使用模型包括 通过蓝牙无线耳机实现电话的免提功能 与笔记本电脑和手持机 的无电缆连接 与其它蓝牙电话 笔记本电脑和手持机的商用卡交易 与信任的 蓝牙笔记本电脑或手持机自动同步地址簿等 因此 将蓝牙技术产品应用于笔记 本电脑 手持机 移动电话 家庭及办公室电话等电话系统中 可实现真正意义 上的个人通信 这种 个人局域网 以移动电话为信息网关 从而使各种便携式设备 间可方便地交换信息 2 家庭无线联网 现代家庭各种电器设备种类繁多 蓝牙技术使这类信息传输设备除电源外不 再用其它连线 其中包括冰箱 洗衣机 彩电 微波炉等家用电器均可采用无线 传输 蓝牙技术将创造一个全新的无线智能家庭生活环境 3 移动办公室 通过使用统一标准的蓝牙技术 笔记本电脑 移动电话可以随时 随地接入 打印机 数码相机 记录仪 摄影机等办公设备 使人们拥有一个可移动的办公 室 4 i n t e r n e t 接入服务 蓝牙标准定义了计算机互联网 l a n 和w a n 等网络的接口协议 它允许使用 单一的蓝牙标准来建立与众多国际标准的连接 内置蓝牙芯片的设备可以进行互 联网的高速连接 5 电子商务应用 蓝牙标准的安全保密特性将大大扩展现有电子商务系统的功能 利用蓝牙技 术可以在很多消费环境中构成电子付费系统 6 其他 蓝牙设备的其它使用模型包括人机接口设备 数据及语音接入点等 1 2基于蓝牙的无线语音通信技术研究 各大公司纷纷推出具有蓝牙功能的产品 而这些产品无需通过电缆即可方便 地接入公司或校园的局域网中进行资源访问 并能够将每一位网络使用者使用的 电子邮件 网络间的文件传输等功能紧密连接在一起 今后 还将推出广域网及 个人信息网的无线通讯方案 这将使用户可以通过使用笔记本电脑达到随时随地 无线移动的效果 3 蓝牙技术与其他短距离无线通信技术的比较 除蓝牙技术外 还存在其他较为成功的短距离无线通信技术 红外 i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网技术和h o m e r f 家用无线局域网技术等 红外 i e e e 8 0 2 11 和h o m e r f 技术的诞生都早于蓝牙 并且经过多年的发展 已经日渐成熟 各项技术指标也 不断得到提升 蓝牙 i e e e 8 0 2 11 和l h o m e r f 工作在同一频段 它们之间存在着一 定的竞争和互相影响 1 红外通信技术 红外 i n f r a r e dr e d 通信技术通过波长8 5 0 n m 的红外光传输数据 7 1 由于红外 光线直线传输 易受遮挡 只支持点对点视距连接 收发装置的光路夹角一般在 3 0 度内 通常通信距离为1 3 m 其实现和操作都相对简单 成本低廉 可应用于 各种场合 而且由于短距离和小角度等原因 具有很好的安全性 并且几乎无干 扰 并且红外通信的传输速率较高 最高可达1 6 m b p s 而蓝牙在其规范中专门定义了i r d a 互操作性协议 支持i r d a 的o b e x 协议以 及其他基于o b e x 的对象交换方面的应用 这是因为红外技术的发展和这方面的应 用已经相当成熟 但是红外技术受到传媒介质本身的限制 其应用前景不如蓝牙 技术 2 z i g b e e 技术 z i g b e e 是一种新兴的短距离 低速率 低功耗无线网络技术 它是一种介于无 线标记技术和蓝牙之间的技术提案 主要用于近距离无线连接 它有自己的无线 电标准 在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信 传输速率1 0 2 5 0 k b p s 通 信距离5 0 m z i g b e e 数据传输速率低 协议简单 每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个设备 扩展后可支持6 5 5 3 5 个设备 目标市场主要有p c 外设 消费类电子设备 家庭内智能控制 医护 工控等非常广阔的领域 3 i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网技术 i e e e 8 0 2 1 1 是由电气电子工程师协会 i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r i e e e 8 0 2 1 作组制定的无线局域网 w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w l a n 标准 在8 0 2 1 l 的基础上相继推出了8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l b 8 0 2 1 l a i 作在5 g h z 的u n i i 频带 8 0 2 1 1 b 与蓝牙工作在同一频段 i e e e 8 0 2 1 1 b 支持1 11 m b s 较高的 数据速率 但是它只支持数据通信 为进行无线数据通信 数据设备先要安装无 线网卡 第二章蓝牙技术介绍 1 3 8 0 2 1 1 b 的传输速率比蓝牙高许多 因而主要用于局域网的无线接入应用方面 刀 但是 8 0 2 1 1 b 技术在体积 功耗和成本上无法与蓝牙相比 因而目前除了网 络接入之外 在其他对低功耗 低成本等要求高的领域和设备 蓝牙技术具有一 定优势 4 h o m e r f 家用无线局域网技术 h o m e r f 技术建立在共享无线访问协议 s h a r e dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c o l s w a p 之上 是专门为家庭用户设计的 h o m e r f 同样是工作在2 4 g h z 频段上 采用跳频扩谱技术 通过家庭中的一台主机在移动数据和语音设备之间实现通信 既可以通过时分复用支持语音通信 又能通过载波监听多重访问 冲突避免协议提 供数据通信服务 同时h o m e r f 提供了与t c p m 良好的集成 支持广播 多播和4 8 位口地址 从现在看来 红外和h o m e r f 技术落后且不适合国情 z i g b e e 比较适合家居环 境的通信 8 0 2 1 1 的抗干扰和复用能力弱 但三者都有各自的优势和应用领域 并 且很大程度上与蓝牙技术互补 相比之下蓝牙的低成本 低功耗 安全性好 应 用范围广泛的特点 决定了它适合于语音通信或者对速度要求不太高 安全性好 的设备间的数据通信 蓝牙技术的优势是显而易见的 在今后的发展中 不敢说 它可以取代其他的无线技术 但无疑拥有更加广泛的应用前景 2 2 蓝牙协议规范 蓝牙通信协议也就是蓝牙规范 s p e c i f i c a t i o no fb l u e t o o t hs y s t e m 它规定 了蓝牙应用产品应遵循的标准和需要达到的要求 蓝牙规范包括核心协议 c o r e 与应用框架 p r o f i l e 两个文件 核心协议定义了蓝牙设备之间交换信息所应遵守 的规则 应用框架则指明了如何采用这些协议实现具体的应用产品 和许多通信 系统一样 蓝牙的通信协议采用层次结构 其底层为各类应用所通用 高层则视 具体应用而有所不同 层次结构使其设备具有最大可能的通用性和灵活性 2 2 1 蓝牙系统的体系结构 蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够实现互操作 本地 设备与互操作的远端设备需要使用相同的协议 不同的应用需要不同的协议 但 是 所有的应用都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层 互操作应用支 持的蓝牙应用模型之上的完整协议栈如图2 2 所示 他是由底层硬件模块 中间协 议层和高端应用层 8 三大部分组成 1 4基于蓝牙的无线语音通信技术研究 e 呷 忡 1 r 同r 1f 1 串口仿真r f c o m mjl 服务发现协议s d pii 电话控制协议t c s e 自 二 捌1 一 二 逻辑链路控制与适配协议l 2 c a p 陌司 a u d i o k 一 弘 7 二 一7 i 冒 一丌 可 7 一 7 一一一 7 一1 可一一z t 瑚 l射频 r a d i o j 图2 2 蓝牙协议体系结构 1 蓝牙的底层模块 底层模块是蓝牙技术的核心模块 所有嵌入蓝牙技术的设备都必须包括底层 模块 它主要由链路管理层 l m p 基带层 b b 和射频 r f 组成 侧重语 音与数据无线传输的物理实现以及蓝牙设备间的连接与组网 射频层 i 强 通过2 4 g h z 无需申请的i s m 频段 实现数据流的过滤和传输 它主要定义了对工作在此频段的蓝牙接收机应满足的要求 基带协议确保p i e o n e t l 勾各蓝牙单元之间由射频构成物理连接 蓝牙射频是一 个跳频系统 其任一分组在指定时隙 指定频率上发送 它使用查询和寻呼来同 步不同设备间的频率和时间 基带 b b 提供了两种不同的物理链路 同步面向 连接链路 s c o 和异步无连接链路 a c l 而且在同一射频上可实现多路数据 传送 负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输 a c l 适用于数据业务 s c o 适用于 语音业务 所有语音与数据分组都附有不同级别的前向纠错 f e c 或循环冗余校验 c r c 而且可以加密 此外 不同数据类型 包括控制信息 都分配一个独立通道 面向连接的语音业务只需经过基带传输 而不到达l 2 c a p 协议 因而语音模式在 蓝牙系统内相对简单 l m p 层负责蓝牙各设备之间连接的建立和设置 它控制连接的发起 交换 核实 进行身份验证和加密 通过协商确定基带数据分组的大小 此外它还控制 第二章蓝牙技术介绍 1 5 无线设备的节能模式和工作周期以及p i c o n c t 内设备单元的连接状态 它为上层软 件模块提供了不同的访问入口 蓝牙主机控制器接口 h c i 由基带控制器 连接管理器 控制和事件寄存器 等组成 它是蓝牙协议中软硬件之间的接口 它提供了一个调用下层b b l m 状态和控制寄存器等硬件的统一命令 上 下两个模块接口之间的消息和数据的 传递必须通过h c i 的解释才能进行 h c i 层以上的协议软件实体运行在主机上 而h c i 以下的功能由蓝牙设备来完成 二者之间通过传输层进行交互 2 中间协议层 中间协议层由逻辑链路控制与适配协议 l 2 c a p 服务发现协议 s d p 串 口仿真协议或称线缆替换协议 1 心c o m 和二进制电话控制协议 t c s 组成 l 2 c a p 是蓝牙协议栈的核心组成部分 也是其它协议实现的基础 它位于基 带之上 向上层提供面向连接的和无连接的数据服务 它主要完成数据的拆装 服务质量控制 协议的复用 分组的分割和重组及组提取等功能 l 2 c a p 允许高 达6 4 k b 的数据分组 虽然基带协议提供了s c o 和a c l 两种连接类型 但l 2 c a p 只 支持a c l 链路 s d p 是一个基于客户 月艮务器结构的协议 服务在蓝牙技术框架中起到至关重 要的作用 是所有用户模式的基础 它工作在l 2 c a p 层之上 为上层应用程序提 供一种机制来发现可用的服务及其属性 而服务的属性包括服务的类型及该服务 所需的机制或协议信息 r f c o m m 是一个仿真有线链路的无线数据仿真协议 符合e t s i 标准的t s 0 7 1 0 串口仿真协议 它在蓝牙基带上仿真r s 2 3 2 的控制和数据信号 为原先使 用串行连接的上层业务提供传送能力 t c s 是一个基于i t u tq 9 3 1 建议的采用面向比特的协议 它定义了用于蓝牙 设备之间建立语音和数据呼叫的控制信令 并负责处理蓝牙设备组的移动管理过 程 3 高端应用层 高端应用层位于蓝牙协议栈的最上部分 一个完整的蓝牙协议栈按其功能又 可划分为四层 核心协议层 b b l m p l 2 c a p s d p 线缆替换协议层 i 强c o m m 电话控制协议层 t c s b i n 选用协议层 p p p t c p i p u d p o b e x i r m c w a p w a e 而高端应用层就是由选用协议层组成 选用协议层中的p p p 是点到点协议 它由封装 链路控制协议 网络控制协 议组成 它定义了串行点到点链路应当如何传输因特网协议数据 它主要用于l a n 接入 拨号网络及传真等应用规范 传输控制协议 网络层协议 t c p i p 对象交换协议 u d p 是三种已有的协 议 它定义了因特网与网络相关的通信及其他类型计算机设备和外围设备之