基于蓝牙无线通信技术接收设备的设计.doc

佳木斯大学学士学位论文佳木斯大学毕业论文基于蓝牙无线通信技术接收设备的设计学 院 信息电子技术专 业 电子信息工程班 级 学 籍 号 姓 名 指导教师 佳 木 斯 大 学2010年6月8日II佳木斯大学信息电子技术学院摘 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2.4GHzsIM(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，建立完善的无线局域网(WAPN)。本设计详细阐述了射频(Radio Frequency)技术和基带(Baseband)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TTB102蓝牙模块设计、TTB103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。TTB102蓝牙模块主要用于蓝牙鼠标和蓝牙USB适配器。根据所使用的蓝牙芯片不同，TTB103蓝牙模块具有不同用途，当使用BC2AUDIO芯片时用于蓝牙耳机，当使用BC3ROM芯片时用于蓝牙USB适配器。本设计以TTB102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AbstractOperating in 2.4GHz ISM(Industrial, Scientific, Medicine)band, Bluetooth system supports lower power，lower cost，safe and credible wireless access way. It makes personal digital devices moveable and creates a perfect Wireless Personal AreaNetwork(WPAN).This paper described Radio Frequency technology and Baseband technology particularly, which were the base and core of Bluetooth system. It was necessary to grasp the Radio Frequency and Baseband technologies before you can apply Bluetooth technology all right. Bluetooth RF Test Specification would fully comform to the Radio Frequency technology，which was a most important process in Bluetooth research and application. Baseband technology defined channel control, packet format, hopping selection and so on.Based on modularization design method, this paper finished TTB102 Bluetooth module and TTB103 Bluetooth module. Bluetooth module integrated Bluetooth IC and general outer circuits, minimized the demision of PCB, defined the best module interface and package, finished main RF circuit and test process.TTB102 Bluetooth module was designed mainly for Bluetooth mouse and USB dongle.TTB103 modulewas used in different application basing on different Bluetooth IC.TTB103 can be applied in Bluetooth headset using BC2AUDIO, and be applied in Bluetooth USBdongle using BC3ROM.This paper developed Bluetooth Wireless Communication Teaching Laboratory basing on TTB102 Bluetooth module. It defined the software and hardware model of Bluetooth laboratory, developed related software and hardware equipments. Whats more, it designed the Bluetooth experiment classes taking Bluetooth Radio Frequency and Baseband technologies as main practice contents and combining entirely with the basic knowlodges of Communication Theroy.KEYWORDS：Bluetooth technology, RF Technology and Baseband Technology, Modularization Design, Bluetooth Module,Bluetooth Wireless Communication.目 录摘 要iAbstractii第1章 绪论11.1 引言11.2 本论文完成的工作1第2章 蓝牙技术简介32.1 蓝牙技术标准32.2 蓝牙技术参数42.3 蓝牙网络模式42.3.1 点对点模式42.3.2 匹克网模式52.3.3 散射网模式52.4 蓝牙标准实现方式5第3章 射频技术和基带技术63.1 射频技术63.1.1 概述63.1.2 频带和信道分配63.1.3 发射机特性63.1.4 接收机特性93.2 基带技术93.2.1 蓝牙时钟103.2.2 蓝牙设备地址103.2.3 物理信道113.2.4 跳频选择123.2.5 逻辑传输153.2.6 分组153.2.7 比特流处理17第4章 模块设计194.1 模块化设计思路194.1.1总体原则194.1.2 PCB工艺因素194.1.3 原理图设计254.1.4 对外接口定义及封装264.1.5 射频信号处理274.1.6 拼板处理284.2 CSR蓝牙芯片284.2.1 BC01284.2.2 BC2系列芯片294.2.3 BC3系列芯片314.3 基于BC2EXTERNAL蓝牙模块设计(TTB102)334.3.1 设计目标334.3.2 对外接口定义及封装334.3.3 原理图334.3.4 Bill of Materials (BOM)364.3.5 PCB设计374.3.6 测试394.3.7 应用举例43总 结45致 谢46参考文献47附录1 系统电路原理图48附录2 系统电路PCB图49附录3 原器件清单50附录4 参考翻译51第1章 绪论1.1 引言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TTB102和TTB103两个蓝牙模块，提出了模块化设计思路，完成了原理图、PCB、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。TTB102是基于CSR蓝牙芯片BC212015BDN的模块设计，该芯片是CSR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TTB102蓝牙模块用于蓝牙鼠标。基于兼容性设计思路，TTB103是专门为蓝牙耳机定制的模块，同时兼容蓝牙USB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。第2章 蓝牙技术简介蓝牙的英文名称是Bluetooth，是1998年由Ericsson、IBM、Intel、Nokia、Toshiba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2.4GHz ISM(工业、科学、医疗)频段，目标建立最高数据传输速率1Mb/S(最新版蓝牙标准为2Mb/S)、最大传输距离为100m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(WPAN)。Bluetooth原为欧洲中世纪丹麦国王Harald 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Bluetooth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。2.1 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(SIG)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品符合的技术版本。蓝牙技术标准制订时间顺序如下1；(1) 2004年11月4日，2.0+EDR版标准；(2) 2003年11月5日，1.2版标准；(3) 2001年2月22日，1.1版标准；(4) 1999年12月l日，l.0b版标准；(5) 1999年7月26日，1.0a版标准，第一个对外公布的标准；(6) 1999年7月5日，1.0版标准草案；(7) 1999年4月30日，09版标准;(8) 1999年l月21日，08版标准;(9) 1998年10月19日，07版标准。本论文以蓝牙标准1.2版为准。2.2 蓝牙技术参数蓝牙技术采用1600hpo/s的跳频扩频通信技术，能在特殊模式下支持320h0po/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，适合应用于电池供电的数字设备。1.2版蓝牙技术主要参数如表11。表11 1.2版蓝牙基本技术参数工作频段2402MHz2480MHz双工方式TDD（时分双工）调制技术GFSK（高斯频移键控）业务类型电路交换分组交换调频速率1600hop/s工作模式PARK（休眠）/HOLD（保持）/SNIFF（呼吸）连接方式面向连接方式的SCO和面向无连接的ACL纠错方式1/3FEC、2/3FEC、ARQ信道加密0位、40位、60位加密字符语音编码CVSD通信距离10m或者100m2.3 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(Piconet)模式和多个匹克网组成的散射网(Scatterent)模式2。2.3.1 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2一1(a)所示，其中一个蓝牙设备作为主设备(Masetr)，另一个作为从设备(slvae)，由主设备实施网络的管理。图21 蓝牙网络模式2.3.2 匹克网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一个匹克网（Piconet）,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。2.3.3 散射网模式由多个匹克网组成一个散射网（Scatterrnet）,实现不同匹克网内设备之间的互通，如图2-1（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。2.4 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（Core）和各种应用框架（Profile）。应用蓝牙技术的关键将是如何正确、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：HCI方式、RFCOMM方式、嵌入式方式。第3章 射频技术和基带技术射频(Radio Frequency)技术和基带(Baseband)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QoS3。蓝牙工作在无需申请的2.4GHz ISM(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FM调制以降低收发信机的复杂度，采用TDD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2.4GHzISM频段，该频段范围为:2400一2483.5MHz。蓝牙技术使用间隔为1MHz的79个射频信道，如表3一1所示，低端和高端的保护频带分别为2MHz和3.5MHz。ISM频带蓝牙射频信道2400一2483.5MHzF=2402+k MHz, k=0,17,8 表31 蓝牙射频信道43.1.3 发射机特性 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32所示。 表32 蓝牙设备功率分类5CLASS最大输出功率（Pmax）典型输出功率（Pnom）最小输出功率（Pmin）1100mW(20dBm)N/A1Mw(0dBm)22.5mW(4dBm)1mW(0dBm)0.25mW(-6Bm)31mW(0dBm)N/AN/A与此同时，也可以用通信距离表述功率输出等级，100m通信距离表示Class1蓝牙设备，10m通信距离表示Class 2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Class 2功率水平，对于蓝牙USB适配器可以设计Class1或者Class 2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。Class 1设备必需要实施功率控制，对发射功率大于4Bdm，根据实时测量接收信号强度指示(RSSI)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4dBm的Class 2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，Class 1和Class 2蓝牙设备之间通信，可能由于Class 1发射功率大、距离太近而使Class 2设备无法正常接收数据。在这种情况下，应将Class 1设备功率水平控制在Class 2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RSSI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8dB，最小2dB。 调制特性蓝牙采用GFSK(高斯频移键控)调制技术，调制系数位于0.28一0.35之间，采用1600hpo/S，即o.625ms时间段位于同一个频点，用正频偏代表逻辑1，负频偏代表逻辑O，从而实现频移键控技术。蓝牙RF中重要测试指标为频率偏移范围。如图3l所示GFSK眼图参数，横轴为时间，纵轴为频率。Transmit Frequency Ft(载波)表示1600hpo/s的某一个跳频点，fd标志逻辑1或者0的频率偏移，Zero Crossing表示过零点位置。图31有以下几个要点:(1) 保证Transmit Frequency Ft(载波)稳定度，该稳定度有两个指标:(a)Initial Carrier Frequency孔Tolerance，表示系统不发送数据分组时的载波稳定度，要求小于士75KHz ; (b)Carrier Frequency Drift，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3-30(2) fd正常范围为145KHz175KHz ;(3) Zero Crossing error低于1/8符号周期。 表33 Carrier Frequency Drift6图31 GFSK参数 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，可能包含临近频段的信号，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，-20dBm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20dBm后的确定两个频点位置，要求计算该两点间隔小于1 MHz;其次，对绝对功率水平有明确的定义，对于发射载波偏移2MHz后的信号功率低于-20dBm，对于偏移大于等于3MHz后的信号功率低于-40dBm。3.1.4 接收机特性蓝牙系统接收机灵敏度电平为-70 dBm，保证BER0.1%。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Sensitivity-one slot packets(单时隙灵敏度)、Sensitivity- multi-slot packet(多时隙灵敏度)、Blocking Performance(抑制带外噪声性能)、Intermodulation Performance(互调特性)等项目来测试是否满足BER0.1%。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(Piconet)，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(Scatternet)，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Acess Code(识别码)、Header(分组头)、Payload(负载)。图32 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Pskey中的Trim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(Offset)。蓝牙时钟采用28位的计数器实现，计数周期位312.5 u s，即3 .2KHz。 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：CLKo,CLK1, CLK2, CLK12，分别对应312.5us，625us，1.25ms和1.28s。蓝牙时钟计数器如图33所示。图33 蓝牙时钟计数器3.2.2 蓝牙设备地址每一个蓝牙设备都需要分配一个不同48 - bits的蓝牙设备地址（BD_ADDR）。如图3-4蓝牙地址格式，包括LAP, UAP、和NAP三部分。LAP称为低位地址，长度24bits; UAP称为高位地址，长度8bits; NAP称为无意义地址，长度16bits o 24bits LAP称为公司分配号(Company_ assigned)， UAP和NAP合起来总共24bits称为公司ID (Company_id ) 7。图34 蓝牙地址格式蓝牙设备地址段需要从IEEE Registration Authority注册申请()，其中三个字节的公司.C Company一d)由IEEE统一分配、管理，而三个字节的公司分配号(Company_ assigned)由蓝牙设备生产厂商自行分配。即蓝牙设备制造商需要向IEEE申请24bits的Company一d，然后自行分配低端24bits。同样道理，可以根据蓝牙地址中的Companyd识别该设备的制造商，在网站查出对应Companyd的公司名称。支付一定的费用申请一个Companyd可以用于16,000,000个蓝牙设备地址分配。 但是，注意蓝牙设备又保留了64个LAP地址用于查询操作，不能用于蓝牙设备地址分配，该LAP地址段为0x9E8B000x9E8B3F。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UAP和LAP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(Selection Box)决定某一个时隙所处的频点位置，在连接状、态跳频速率为1600hop/s，而在查询(Inquiry)和寻呼(Page)子状态，跳频速率为、3200hop/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)自适应匹克网物理信道。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随机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，主从角色同样可以交换。基本匹克网物理信道将时间分成625 u s长度的时隙，以TDD方式实现主从设备之间的通信，如图35主从设备之间采用TDD方式的多时隙分组通信。图35 主从设备之间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20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79个射频信道。图36 从主时隙与前一个从主时隙使用相同RF信道3.2.4 跳频选择蓝牙设备使用跳频选择内核(Selection Box)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(AFH )，这些序列类型如下: (1) 寻呼跳频序列(Page); (2) 寻呼响应跳频序列(Page Response);(3) 查询跳频序列(Inquiry ) ;(4) 查询响应跳频序列(Inquiry Response);(5) 基本信道跳频序列(Basic);(6) 自适应信道跳频序列(AFH )。通用选择框图(Selection Box)如图37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27bits蓝牙时钟、28bits UAP/LAP ( LAP和UAP低的4bits), frozen clock、 N，Koffset、sequence selection(序列类型)和AFH channel map(自适应跳频图案)。图37 跳频图案选择框图基本跳频序列选择内核如图38基本跳频图案选择内核，是寻呼(Page)、寻呼响应(Page Response)、查询(Inquiry)、查询响应(Inquiry Response)和基本(Basic)跳频序列的选择内核，输入参数有X, Y1, Y2, A, B, C, D, E, F。X输入决定跳频序列的相位;Y1和Y2选、择主从和从主时隙;A-D决定段内顺序(将79个跳频点分成犯个点组成的多个、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ADD(加法器), XOR(异或器), PERM5(蝶行序列运算)、ADD(加法器)组成。其中，加法器将两个数相加，模32(第一加法器)或者79(第二个加法器)；异或操作将对应位进行异或;PERMS如图39所示，Z4-Z0代表图38中PERMS左边XOR 5bits输入，其中Z0表示低位，P13-P9代表图38中PERMS上部C和Y1 XOR产生的5bits数据，P8-P0代表图38中PERMS上部9bits D输入。而图3-9中的单个蝶行运算如图310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, Y1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38 基本跳频图案选择内核8图39 PERMS运算图310 蝶行运算 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AFH_channel_map(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。AFH_channel_map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79个，但是不能少于20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AFH_channel_map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(SCO)的逻辑传输;(2) 扩展的面向同步连接(eSCO)的逻辑传输; (3) 面向异步连接(ACL)的逻辑传输; (4) 活动从设备广播(ASB)逻辑传输; (5) 休眠从设备广播(PSB)逻辑传输。 SCO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SCO。eSCO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。 ACL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ACL逻辑传输。 ASB逻辑传输用于主设备与活动从设备进行通信，而PSB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311所示，分为三部分：Acess Code(识别码)、Header(分组头)、Payload(负载)。左边为低位(LSB)，右边为高位(MSB),低位比特先发送。Access Code长度为72bits，Header长度为54bits，Payload最长可以达2745bits。部分分组只由有Access Code，分组长度为68bits。图311 蓝牙基带分组通用格式面向同步连接(SCO)的逻辑传输有NULL、POLLFHS、DM1、HV1、HV2、HV3、DV分组；扩展的面向同步连接(eSCO)的逻辑传输有NULL、POLL、EV3、EV4、EV5分组；面向异步连接(ACL)的逻辑传输有NULL、POLL、FHS、DM1、DH1、DH3、DH5、DM1、DM3、DM5、AUX1分组。ID、NULL、POLL、FH5为链路控制分组，该类分组统计信息如表34所示；DM1、DH1、DH3、DH5、DM1、DM3、DM5、AUX1为ACL分组，该类分组统计信息如表35所示；HV 1、HV2、HV3、EV3、EV4、EV5为同步语音分组，该类分组统计信息如表36所示。ID分组没有负载，用查询操作;NULL分组没有负载，用于返回ARAN(确认)信息；POLL分组没有负载，用于轮询多个蓝牙从设备；FHS分组用于在链路建立过程中传递主设备跳频同步信息。表34 链路控制分组 表35 同步语音分组 表36 ACL分组3.2.7 比特流处理蓝牙系统分别对基带分组头(Haeder)和分组负载(Payofda)进行比特流处理。如图312蓝牙分组头(Haeder)比特流处理，在发送端分组头实际有效的比特数为10bits，通过HEC变成18bits，在经过Whitening(白噪声化)，然后经1/3变为64btis后发送，在接收端对分组头采用相反的操作方式。如图3一13蓝牙基带分组负载比特流处理，在发送端先对负载数据进行CRC操作，经Encryption(加密)、Whitening(白噪声化)、Encoding(编码)发送，在接收端对分组负载采用相反顺序的操作。蓝牙技术涉及的检错技术有IBC(分组头纠错技术)、CRC等，纠错技术有1/3 FEC(前向纠错)、2/3 FEC, ARQ(检错重发)。以2/3FEC为例，如图314蓝牙1/3 FEC纠错技术的反向移位寄存器(LFSR)。图312 蓝牙分组头比特流处理图313 蓝牙基带分组负载比特流处理图314 蓝牙2/3FEC反向移位寄存器第4章 模块设计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，最佳化对外接口定义和封装，完成主要射频电路的设计和测试工作。本章主要涉及蓝牙模块化设计思路、基于BC2-EXTERNAL蓝牙芯片的TTB102蓝牙模块设计、基于BC3-ROM或者BCZ-ALJD10蓝牙芯片的TTB103蓝牙模块设计。4.1 模块化设计思路4.1.1总体原则采用模块化设计思路是蓝牙技术开发的最佳途径，在选择适合的蓝牙芯片基础上，需要确定电路板设计方法和测试方法。一方面由于蓝牙模块是2.4GHz射频模块，另一方面由于蓝牙模块具有通用性需求，用于蓝牙鼠标、蓝牙耳机、蓝牙USB适配器等蓝牙设备，只是采用不同的外围电路;再有，蓝牙模块集成蓝牙芯片外围所有的通用电路，完成大部分射频电路的设计和测试。蓝牙模块设计总体原则主要有以下:(1) 正确选择蓝牙芯片型号及封装；(2) 针对蓝牙芯片BGA封装，根据PCB厂加工工艺水平，确定合适的BGA线方案；(3) 根据PCB厂的工艺水平，确定模块叠层结构和工艺参数等；(4) 确定具有最大化兼容性的原理图设计；(5) 定义最佳的对外接口和封装结构；(6) 最优化射频电路处理；4.1.2 PCB工艺因素选择合适的PCB加工工艺水平非常重要，紧密结合模块的加工工艺要求和PCB厂的工艺水平。尽量不希望出现模块的设计超出了PCB厂的加工能力，或者由于选择的较高的工艺水平而导致太高的加工成本。 叠层结构模块设计需要选择电路板叠层结构，一般确定为四层板:(1) 顶层:放置元器件，走线；(2) 中间一层:地层；(3) 中间第二层:电源层；(4) 底层:不放置组件，走线，模块对外封装。 BGA走线方案 确定使用CSR公司生产的蓝牙芯片，因为该芯片为BGA封装，需要确定最佳的BGA的走线方案。如图41所示BGA封装结构，部分引脚走线比较困难。其中A1等外边引脚可以从外边引线，C3 , C4等内边引脚可以从BGA内部空闲处打过孔引线，唯有B2, B3等中间引脚需要特殊的引线方案，而该引线方案与焊盘中心间距和PCB工艺水平紧密联系。图41 BGA封装结构 基本可以采用三种方案引线，一种是在顶层的BGA焊盘之间引出，该方法一方面取决于焊盘的中心距，要求至少0.65mm，另一方面容量有限，无法将全部内部引脚引出;第二种是通过在顶层四个BGA焊盘所在的中心位置打机械过孔至底层，在底层走线，该方案同样取决于BGA封装的焊盘中心间距，要求至少0.65mm;第三种方案是在BGA焊盘上直接打激光盲孔至第二层地层，打0.lmm孔，孔焊盘0.3mm，与此同时可以适当增大B GA焊盘的尺寸，当然由于激光孔穿透能力有限，只能打至第二层，然后在第二层走线至安全处打机械通孔至顶层或者底层走线，当然PCB加工时需要将0.1 mm盲孔堵上，以方便焊接。(1) 焊盘之间引线 CSR公司的蓝牙芯片为BGA封装，如BC212015BDN为0.65mm焊盘中心间距，部分引脚通过该方案引线至安全处。此方案需要计算芯片引脚中心间距，参考PCB加工工艺能力，包括最小线宽、最小线间距等。图4-2为顶层BGA焊盘之间引线的示意图，假设该BGA芯片为0.65mm引脚间距，则采用0.1 mm线宽引线，则引线和焊盘边距为0.125mm，符合PCB厂最小0.1 mm线间距的加工工艺水平。图42 顶层BGA焊盘之间引线(2) 四个焊盘中心打过孔CSR公司的蓝牙芯片为BGA封装，如BC212015BDN为0.65mm引脚间距，部分引脚通过该方案引线至安全处。如图4-3所示BGA封装的四个焊盘，焊盘A1和B1中心距离0.65mm，则处于对角线的焊盘A1和B2中心距离0.9191mm。盘B2连线至一个位于四个焊盘中心位置的0.2/0.4mm过孔，即0.2mm机械孔，0.4mm盘，至底层后在走线。过孔盘和周边焊盘边距为0.10955mm，符合PCB厂最小0.lmm线间距加工工艺水平。事实上，能够采用(1)方案一般也能采用(2)方案，所以可以将两种方案联合使用，增加电路板设计的灵活性。TTB 102蓝牙模块同时采用(1)和(2)两种方案。图43 四个焊盘中心打过孔(3) 焊盘上打孔CSR公司的蓝牙芯片为BGA封装，如BC213159A为0.5mm引脚间距，采用直接在BGA焊盘上打激光盲孔至第二层后引线。由于PCB厂加工工艺水平的限制，继续采用(1)和(2)所述的方式走线使过孔盘和B GA盘边距太小，机械孔也到了最小工艺水平。如图4-4所示直接在盘B2上打激光过孔至第二层，该孔尺寸为0.1/0.3 mm，然后在第二层走线至安全的地方再打机械过孔至顶层或者底层即可，并将焊盘尺寸设为0.35mm。这种方案区别(1)和(2)最主要是它在第二层走线。TTB 103蓝牙模块采用此方案。图44 焊盘上打孔引线 PCB工艺参数确定PCB工艺参数是设计蓝牙射频模块的重要组成部分，它也与模块的PCB设计方法信息相关，直接关系到模块的射频性能、安装水平、大规模生产可行性等方面。TTB102蓝牙模块的PCB工艺参数主要有以下几部分。(1) 基本工艺参数如下表41； 表41 TTB102J基本参数其中PCB尺寸要求严格保证+/0.1mm误差范围，因为蓝牙模块需要通过测试，测试需要定制特定的测试制具对模块进行定位，由于模块实际尺寸太小,只能采用边界定位，所以对电路板的尺寸误差有严格的限制。(2) 阻焊层(Mask)参数如下表42； 表42 阻焊层参数(3) 丝印层(Silk)参数如下表43； 表43 丝印层参数(4) PCB叠层参数如下表44； 表44 PCB叠层参数(5) PCB加工用Geber文件与电路板对应关系如下表45； 表45 PCB加工用Gerber文件与各层对应关系(6) PCB加工Drill(钻孔)文件如下表46； 表46 PCB加工用Drill文件4.1.3 原理图设计蓝牙模块功能设计首先完成原理图设计。既然是模块化设计，需要将一些通用和设计难度较大的电路置于模块内，定制对外标准化接口，而模块作为一个独立的元件表面贴装于其它主板上。蓝牙模块原理图一般由以下几个方面组成：(1)蓝牙芯片电路蓝牙芯片是模块的中心，其它电路都将围绕该芯片设计、布局、走线。选择合适的蓝牙芯片，确定芯片的引脚功能和连接方式，特别注意电源和地引脚的连接方式。(2)存储器电路某些蓝牙芯片需要外挂8Mbits Flash，例如CSR蓝牙芯片BCZ12015BDN，则需要确定Flash和蓝牙芯片如何连接，Flash电源、地、使能信号如何连接，Flash是否具有可替换性。(3)时钟电路一般蓝牙芯片都需要外接一个晶体，相对比较简单，只需要连接好地线。(4)电源电路模块需要外部供电，模块一般集成直流电压转换芯片，将3.3V转换为1.8V等，需要考虑电源芯片的输出功率是否满足最大负荷要求，与此同时，针对不同的应用，如果在电池供电情况下，需要选择DC心C电压转换芯片，否则可以采用LDO，因为前者较后者有更高的转换效率。(5)射频前端短路基于所选择的蓝牙模块，设计相应的射频前端电路，特别是针对Class 1蓝牙模块的前端电路设计较为复杂，需要较高射频处理经验，包括射频功放、射频开关、滤波器、匹配等电路。设计Class 2蓝牙模块射频前端电路相对简单，只需在蓝牙芯片基础上连接匹配电路、去祸合电路、滤波器电路等。同时需要在模块上设计屏蔽罩以减小干扰。(6)电路兼容性为了进一步降低开发成本和优化调试功能，需要对某些电路增加兼容性考虑。首先，CSR推出的蓝牙芯片有部分从功能、引脚定义都具有一定的兼容性，即采用同一块PCB可以兼容多个蓝牙芯片，由于蓝牙模块的射频性能，尽量减少重复设计的次数。例如BC2-AUDIO和BC3-ROM具有一定的兼容性，在原理图设计时只需要对个别引脚做相应的处理，这些处理主要集中在电源引脚和地引脚，设计模块化的电源是最佳的兼容性方案。其次，针对某些元器件，考虑如存储器、电源芯片的缺货、停产、价格上涨等因素，预留一定的替代空间，需要在设计原理图时对可替代芯片做详细分析。(7)接口电路接口电路是蓝牙模块的对外接口，将RF、USB、SPI、DART、PCB等接口全部引出，必须针对外围电路特点、蓝牙芯片引脚功能定义接口顺序。4.1.4 对外接口定义及封装蓝牙模块需要引出至对外接口的端口主要有: (1) USB接口：引脚USB D+、USB D-； (2)DART接口：引脚DART_RX、UART_TX、DART_CTS、DART_RTS； (3)PCM接口：引脚PCM_SYNC, PCM_IN, PCM_OUT、PCM_CLK； (4)SPI接口：引脚SPI_CLK, SPI_MISO, SPI_MOSI, SPI_CSB； (5)AIO接口：AIO0、AIO1； (6)PIO接口：PIO0、PIO1、PIO2、PIO3、PIO4、PIOs、PIO6、 PIO7、PIO8、PIO9、PIO10、PIO11； (7)引脚RESET； (8) RF天线接口； (9)电源接口：3.3V、1.8V； (10)地线：GND。根据模块尺寸和布局一般有两种封装结构：(1)底层左右两列接口封装如图44(a)，TTB102蓝牙模块采用此方式；(2)底层四周接口封装如图44 (b)，TTB103蓝