藍牙技術硬件實現(xiàn)模式分析

   摘要：介紹了藍牙技術的體系結(jié)構及特點，并結(jié)合Transilica公司生產(chǎn)的Onechip藍牙產(chǎn)品TR0700單芯片，分析了硬件實現(xiàn)模式。

藍牙技術是一項新興的技術。它的主要目的是在全世界建立一個短距離的無線通信標準。它使用2.4GHz～2.5GHz的ISM（Industrion Scientifc Medical）頻段來傳送話音和數(shù)據(jù)。運用成熟、實用、先進的無線技術來代替電纜，它提供了低成本、低功耗的無線接口，使所有固定和移動設備通過微微網(wǎng)PAN（Personal Area Network）連接起來，諸如：計算機系統(tǒng)、家庭影院系統(tǒng)、無繩電話系統(tǒng)、通信設備等，相互通信，實現(xiàn)資源共享。藍牙技術支持多種電子設備之間的短距離無線通信，這種通信不需要任何線纜，亦不需要用戶直接手工干涉；每當一個嵌入了藍牙技術的設備發(fā)覺另一同樣嵌入藍牙技術的設備，它們就能自動同步，相互通信，實現(xiàn)資源共享。

1 藍牙的結(jié)構體系

藍牙協(xié)議棧的體系結(jié)構如圖1所示。它是由底層硬件模塊，中間層和高端應用層三大部分組成。

    1.1 藍牙的底層模塊

底層模塊是藍牙技術的核心模塊，所有嵌入藍牙技術的設備都必須包括底層模塊。它主要由鏈路管理層LMP（Link Manager Protocol）、基帶層BB（Base Band）和射頻RF（Rodio Fraquency）組成。其功能是：無線連接層（RF）通過2.4GHz無需申請的ISM頻段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的過濾和傳輸；它主要定義了工作在此頻段的藍牙接收機應滿足的需求；其帶層（BB）提供了兩種不同的物理鏈路（同步面向連接路SCO Synchronous Connection Oriented和異步無連接鏈路ACL Asynchronous Connection Less），負責跳頻和藍牙數(shù)據(jù)及信息幀的傳輸，且對所有類型的數(shù)據(jù)包提供了不同層次的前向糾錯碼FEC（Frequency Error Correction）或循環(huán)沉余度差錯校驗CTC（Cyclic Redundancy Check）；LMP層負責兩個或多個設備鏈路的建立和拆除及鏈路的安全和控制，如鑒權和加密、控制和協(xié)商基帶包的大小等，它為上層軟件模塊提供了不同的訪問入口；藍牙主機控制器接口HCI（Host Cntroller Interface）由基帶控制器、連接管理器、控制和事件寄存器等組成。它是藍牙協(xié)議中軟硬件之間的接口，提供了一個調(diào)用下層BB、LM、狀態(tài)和控制寄存器等硬件的統(tǒng)一命令，上、下兩個模塊接口之間的消息和數(shù)據(jù)的傳遞必須通過HCI的解釋才能進行。HCI層以上的協(xié)議軟件實體運行在主機上，而HCI以下的功能由藍牙設備來完成，二者之間通過傳輸層進行交互。

1.2 中間協(xié)議層

中間協(xié)議層由邏輯鏈路控制與適配協(xié)議L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）、服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議SDP（Service Discovery Protocol）、串口仿真協(xié)議或稱線纜替換協(xié)議（RFCOM）和二進制電話控制協(xié)議TCS（Telephony Control protocol Spectocol）組成。L2CAP是藍牙協(xié)議棧的核心組成部分，也是其它協(xié)議實現(xiàn)的基礎。它位于基帶之上，向上層提供面向連接和無連接的數(shù)據(jù)服務。它主要完成數(shù)據(jù)的拆裝、服務質(zhì)量控制、協(xié)議的復用、分組的分割和重組（Segmentation And Reassembly）及組提取等功能。L2CAP允許高達64KB的數(shù)據(jù)分組。SDP是一個基于客戶/服務器結(jié)構的協(xié)議。它工作在L2CAP層之上，為上層應用程序提供一種機制來發(fā)現(xiàn)可用的服務及其屬性，而服務屬性包括服務的類型及該服務所需的機制或協(xié)議信息。RFCOMM是一個仿真有線鏈路的無線數(shù)據(jù)仿真協(xié)議，符合ETSI標準的TS 07.10串口仿真協(xié)議。它在藍牙基帶上仿真RS-232的控制和數(shù)據(jù)信號，為原先使用串行連接的上層業(yè)務提供傳送能力。TCS是一個基于ITU-T Q.931建議的采用面向比特的協(xié)議，它定義了用于藍牙設備之間建立語音和數(shù)據(jù)呼叫的控制信令（Call Control Signalling），并負責處理藍廾設備組的移動管理過程。

1.3 高端應用層

高端應用層位于藍牙協(xié)議棧的最上部分。一個完整的藍牙協(xié)議棧按其功能又可劃分為四層：核心協(xié)議層（BB、LMP、LCAP、SDP）、線纜替換協(xié)議層（RFCOMM）、電話控制協(xié)議層（TCS-BIN）、選用協(xié)議層（PPP、TCP、TP、UDP、OBEX、IrMC、WAP、WAE）。而高端應用層是由選用協(xié)議層組成。選用協(xié)議層中的PPP（Point-to-Point Protocol）是點到點協(xié)議，由封裝、鏈路控制協(xié)議、網(wǎng)絡控制協(xié)議組成，定義了串行點到點鏈路應當如何傳輸因特網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)，它要用于LAN接入、撥號網(wǎng)絡及傳真等應用規(guī)范；TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡層協(xié)議）、UDP（User Datagram Protocol對象交換協(xié)議）是三種已有的協(xié)議，它定義了因特網(wǎng)與網(wǎng)絡相關的通信及其他類型計算機設備和外圍設備之間的通信。藍牙采用或共享這些已有的協(xié)議去實現(xiàn)與連接因特網(wǎng)的設備通信，這樣，既可提高效率，又可在一定程度上保證藍牙技術和其它通信技術的互操作性；OBEX（Object Exchange Protocol）是對象交換協(xié)議，它支持設備間的數(shù)據(jù)交換，采用客戶/服務器模式提供與HTTP（超文本傳輸協(xié)議）相同的基本功能。該協(xié)議作為一個開放性標準還定義了可用于交換的電子商務卡、個人日程表、消息和便條等格式；WAP（Wireless Application Protocol）是無線應用協(xié)議，它的目的是要在數(shù)字蜂窩電話和其它小型無線設備上實現(xiàn)因特網(wǎng)業(yè)務。它支持移動電話瀏覽網(wǎng)頁、收取電子郵件和其它基于因特網(wǎng)的協(xié)議。WAE(Wireless Application Environment)是無線應用環(huán)境，它提供用于WAP電話和個人數(shù)字助理PDA所需的各種應用軟件。

2 藍牙硬件的實現(xiàn)

藍牙的技術規(guī)范除了包括協(xié)議部分外還包括藍牙的應用部分（即應用模型）。在實現(xiàn)藍牙的時候，一般是將藍牙分成兩部分來考慮，其一是軟件實現(xiàn)部分，它位于HCI的上面，包括藍牙協(xié)議棧上層的L2CAP、RFCOMM、SDP和TCS以及藍牙的一些應用；其二是硬件實現(xiàn)部分，它位于HCI的下面，亦即上面提到的底層硬件模塊，它已在圖1中標示出。下面討論藍牙硬件模塊的結(jié)構與性能。

藍牙硬件模塊由藍牙協(xié)議棧的無線收發(fā)器（RF）、其帶控制器（BB）和鏈路管理層（LMP）組成。目前大多數(shù)生產(chǎn)廠家都是利用片上系統(tǒng)技術SOC（System-On-Chip）將這三層功能模塊集嵌在同一塊芯片上。圖2為單芯片藍牙硬件模塊結(jié)構圖。它由微處理器（CPU）、無線收發(fā)器（RF）、基帶控制器（BB）、靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）、閃存（Flash程序存儲器）、通用異步收發(fā)器（UAST）、通用串行接口（USB）、語音編/解碼器（CODEC）及藍牙測試模塊組成。下面分別敘述各部分的組成及功能。

（1）藍牙基帶控制器

藍牙基帶控制器是藍牙硬件模塊的關鍵模塊。它主要由鏈路控制序列發(fā)生器、可編程程序列發(fā)生器、內(nèi)部語音處理器、共享RAM裁器及定時鏈管理、加密/解密處理等功能單元組成。其主要功能：在微處理器模塊控制下，實現(xiàn)藍牙基帶部分的所實時處理功能，包括負責對接收bit流進行符號定時提取的恢復；分組頭及凈荷的循環(huán)沉余度校驗（CRC）；分組頭及凈荷的前向糾錯碼（FEC）處理和發(fā)送處理；加密和解密處理等。且能提供從基帶控制器到其它芯片的接口（諸如數(shù)據(jù)路徑RAM客戶接口、微處理器接口、脈碼調(diào)制接口（PCM）等。

（2）無線收發(fā)器模塊

無線收發(fā)器是藍牙設備的核心，任何藍牙設備都要有無線收發(fā)器。它與用于廣播的普通無線收發(fā)器的不同之處在于體積小、功率?。壳吧a(chǎn)的藍牙無線收發(fā)器的最大輸出功率只有100mW、2.5mW、1mW三種）。它由鎖相環(huán)、發(fā)送模塊和接收模塊等組成。發(fā)送部分包括一個倍頻器，且直接使用壓控振蕩器調(diào)制（VCO）；接收部分包括混頻器、中頻器放大器、鑒頻器以及低噪音放大器等。無線收發(fā)器的主要功能是調(diào)制/解調(diào)、幀定時恢復和跳頻功能同時完成發(fā)送和接收操作。發(fā)送操作包括載波的產(chǎn)生、載波調(diào)制、功率控制及自動增益控制AGC；接收操作包括頻率調(diào)諧至正確的載波頻率及信號強度控制等。

（3）微處理器（CPU）

CPU負責藍牙比特流調(diào)制和解調(diào)所的所有比特級處理，且還負責控制收發(fā)器和專用的語言編碼和解碼器。

（4）Flash存儲器和SRAM

Flash存儲器用于存放基帶和鏈路管理層中的所有軟件部分。SRAM作為CPU的運行空間，在作時把Flash中的軟件調(diào)用SRAM中。

（5）語音編/解碼器CODEC（Coder Decoder）

語音編/解碼器CODEC由ADC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）、模數(shù)轉(zhuǎn)換口（ADC）、數(shù)字接口、編碼模塊等組成。主要功能：提供語音編碼和解碼功能，提供CVSD（Continuous Variable Slope Delta Modulation）即連續(xù)可變斜率增量調(diào)制及對數(shù)PCM（Pulse Coded Modulation）即脈碼調(diào)制兩種編碼方式。

（6）藍牙測試模塊

它是由DUT（Device Under Test）即被測試模塊與測試設備及計量設備組成。一般測試 設備被測試設備構成一個微微網(wǎng)，測試設備是主節(jié)點，DUT是從節(jié)點。測試設備對整個測試過程進行控制，其主要功能提供無線層和基帶層的認證和一致性規(guī)范，同時還管理產(chǎn)品的生產(chǎn)和售后測試。

（7）UART（Universal Asynchronous Keceiver Transunitter）通用異步收發(fā)器和USB（Universal Serial Bus）通用串行接口。

功能：提供到HCI（Host Confroller Interface）即主機控制器接口傳輸層的物理連接，是高層與物理模塊進行通信的通道。

3 TR0700單芯片介紹

RT0700單芯片是Transilica公司的藍牙產(chǎn)品，其結(jié)構如圖3所示。它把無線收發(fā)器與基帶都集成到一塊CMOS芯片上，替代傳統(tǒng)的串行語音和通用串行接口電纜，為語音和數(shù)據(jù)業(yè)務提供無線連接。

3.1 結(jié)構及工作原理

RT0700單芯片由收發(fā)器、基帶、語音編/解碼器（CODEC）、帶有4個可配置的8bit接口的8051微處理器、兩個串行口雙高性能的通用異步收發(fā)器（UART）、4KB的靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）、64KB的Flash程序存儲器等組成。

收發(fā)器由低噪放大器（LNA）、電平控制器（PA）、混頻器、鑒頻器、控制寄存器、發(fā)送濾波器、振蕩器等組成。其工作原理是：來自接收天線上的信號經(jīng)低噪放大器（LNA）放大后，送至多級濾波器，多級濾波器具有預選擇功能，它把LAN的輸出信號限制在2.4GHz的ISM頻段內(nèi)，去除負頻率成分，輸出適合進行下變頻處理的信號。I、Q混頻器把藍牙頻段的信號移頻至低中頻（IF）傳輸?shù)恼{(diào)制信號。復合濾波器負責從下變頻信號中濾除無用信號和噪聲。鑒頻器使用過采樣技術從IF信號中取出藍牙低調(diào)制指數(shù)信號；發(fā)送器由發(fā)送濾波器、頻率合成器、功率放大器、振蕩器、天線等組成。其工作原理是：發(fā)送濾波器是一個高斯數(shù)字濾波器，它對發(fā)送環(huán)Tx輸入的數(shù)據(jù)進行數(shù)字過濾；振蕩器的功能是驅(qū)動一個外部的晶體振蕩器或者接受一個外部的時鐘信號，向頻率合成器提供一個低噪聲的參考頻率。功率放大器的主要功能是對頻率合成器的輸出功率放大到1mW左右，且對頻率合成器起緩沖作用，減少負載變化對合成器的影響；發(fā)送天線：當使用差分輸入的LNA時，它可以是一個低噪聲的平衡雙極天線；8051微處理器是一個8位的微處理器，它的主要功能是管理和實現(xiàn)藍牙協(xié)議棧。它具有一增強的指令集、二級數(shù)據(jù)指針、擴展的SRAM和雙UART。在TR0700中對一些重復性的操作諸如分組的組裝和拆解、加密、地址編碼/解碼、糾錯和同步等都由硬件來實現(xiàn)，這樣能降低處理器的開銷，有效地提高響應性能。TR0700除了8051微處理器本身所帶有的一些特殊功能寄存器（SFR）外，還定義了一些新的特殊功能寄存器（SFR），它還引入了一些特殊的中斷，如一個帶有特殊保護的外部中斷INT3等。RT0700的基帶操作有三種模式可供選擇：數(shù)據(jù)/地址、端口、測試。

    3.2 基本功能及應用

TR0700單芯片的基本功能是：具有10m的傳輸距離及1Mbps的數(shù)據(jù)速率；支持79跳系統(tǒng)及支持點到點、點到多點連接，既可以是主節(jié)點又可以是從節(jié)點；支持GAP、TCS、手機、intercom剖面和串行口等；支持Hold、Sniff和Park功率節(jié)省模式；對LC、LM、L2CAP、SDP、RECOMM等藍牙協(xié)議棧能完全實現(xiàn)；對于SCO鏈路支持HV1、HV2、HV3數(shù)據(jù)分組；對于ACL分組支持DM1、DM3、DM5、HD1、HD3、HD5和AUX1數(shù)據(jù)分組；具有用于測試和Flash內(nèi)存升級的JTAG接口。TR0700單芯片的主要應用有：用于電信方面的峰房和無繩電話、調(diào)制解調(diào)器、手持設備、互聯(lián)設備、小型監(jiān)視器；用于計算機方面有鍵盤、鼠標、控制桿、掃描儀、監(jiān)視器、打印機、桌面、筆記本計算機等。用于消費類的PDA、耳機、監(jiān)視系統(tǒng)、游戲控制器和數(shù)字相機等。

藍牙技術作為一個開放的無線應用標準，能通過無線連接方式將一定范圍內(nèi)的固定或移動設備連接起來，使人們能夠更方面更快速地進行語音和數(shù)據(jù)的交換，這無疑將會成為未來無線通信領域的一個重要的研究方向。本文所描述的藍牙技術硬件實現(xiàn)模式分析，只是藍牙核心技術中的一小部分，隨著藍牙技術的不斷完善與產(chǎn)品的成功開發(fā)，可以肯定，藍牙技術將會逐漸進入我們的工作和生活，成為不可缺少的一部分。