??? 摘? 要:? 介紹了藍牙技術的體系結構及特點,并結合 Transilica 公司生產的Onechip藍牙產品TR0700單芯片" title="單芯片">單芯片,分析了硬件實現模式。
??? 關鍵詞:? 藍牙技術? 硬件實現? 鏈路" title="鏈路">鏈路管理與控制? 跳頻
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??? 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據。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PAN(Personal Area Network)連接起來,諸如:計算機系統、家庭影院系統、無繩電話系統、通信設備等,相互通信,實現資源共享。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,實現資源共享。?
1 藍牙的結構體系?
??? 藍牙協議棧" title="協議棧">協議棧的體系結構如圖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。?
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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 Frequency)組成。其功能是:無線連接層(RF)通過2.4GHz無需申請的ISM頻段,實現數據流的過濾和傳輸;它主要定義了工作在此頻段的藍牙接收機應滿足的要求;基帶層(BB)提供了兩種不同的物理鏈路(同步面向連接鏈路SCO Synchronous Connection Oriented和異步無連接鏈路ACL Asynchronous Connection Less),負責跳頻和藍牙數據及信息幀的傳輸,且對所有類型的數據包提供了不同層次的前向糾錯碼FEC(Frequency Error Correction)或循環沉余度差錯校驗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 Controller Interface)由基帶控制器、連接管理器、控制和事件寄存器等組成。它是藍牙協議中軟硬件之間的接口,提供了一個調用下層BB、LM、狀態和控制寄存器等硬件的統一命令,上、下兩個模塊接口之間的消息和數據的傳遞必須通過HCI的解釋才能進行。HCI層以上的協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 中間協議層?
??? 中間協議層" title="協議層">協議層由邏輯鏈路控制與適配協議L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol)、服務發現協議SDP (Service Discovery Protocol)、串口仿真協議或稱線纜替換協議(RFCOM)和二進制電話控制協議TCS (Telephony Control protocol Spectocol)組成。L2CAP是藍牙協議棧的核心組成部分,也是其它協議實現的基礎。它位于基帶之上,向上層提供面向連接和無連接的數據服務。它主要完成數據的拆裝、服務質量控制、協議的復用、分組的分割和重組(Segmentation And Reassembly)及組提取等功能。L2CAP允許高達64KB的數據分組。SDP是一個基于客戶/服務器結構的協議。它工作在L2CAP層之上,為上層應用程序提供一種機制來發現可用的服務及其屬性,而服務的屬性包括服務的類型及該服務所需的機制或協議信息。RFCOMM是一個仿真有線鏈路的無線數據仿真協議,符合ETSI標準的TS 07.10串口仿真協議。它在藍牙基帶上仿真RS-232的控制和數據信號,為原先使用串行連接的上層業務提供傳送能力。TCS是一個基于ITU-T Q.931建議的采用面向比特的協議,它定義了用于藍牙設備之間建立語音和數據呼叫的控制信令(Call Control Signalling),并負責處理藍牙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議棧的最上部分。一個完整的藍牙協議棧按其功能又可劃分為四層:核心協議層(BB、LMP、LCAP、SDP)、線纜替換協議層(RFCOMM)、電話控制協議層(TCS-BIN)、選用協議層(PPP、TCP、TP、UDP、OBEX、IrMC、WAP、WAE)。而高端應用層是由選用協議層組成。選用協議層中的PPP (Point-to-Point Protocol)是點到點協議,由封裝、鏈路控制協議、網絡控制協議組成,定義了串行點到點鏈路應當如何傳輸因特網協議數據,它主要用于LAN接入、撥號網絡及傳真等應用規范;TCP/IP(傳輸控制協議/網絡層協議)、UDP(User Datagram Protocol 對象交換協議)是三種已有的協議,它定義了因特網與網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議去實現與連接因特網的設備通信,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)是對象交換協議,它支持設備間的數據交換,采用客戶/服務器模式提供與HTTP(超文本傳輸協議)相同的基本功能。該協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)是無線應用協議,它的目的是要在數字蜂窩電話和其它小型無線設備上實現因特網業務。它支持移動電話瀏覽網頁、收取電子郵件和其它基于因特網的協議。WAE(Wireless Application Environment) 是無線應用環境,它提供用于WAP電話和個人數字助理PDA所需的各種應用軟件。?
2 藍牙硬件的實現?
??? 藍牙的技術規范除了包括協議部分外還包括藍牙的應用部分(即應用模型)。在實現藍牙的時候,一般是將藍牙分成兩部分來考慮,其一是軟件實現部分,它位于HCI的上面,包括藍牙協議棧上層的L2CAP、RFCOMM、SDP和TCS以及藍牙的一些應用;其二是硬件實現部分,它位于HCI的下面,亦即上面提到的底層硬件模塊,這已在圖1中標示出。下面討論藍牙硬件模塊的結構與性能。?
??? 藍牙硬件模塊由藍牙協議棧的無線收發器" title="無線收發器">無線收發器(RF)、基帶控制器(BB)和鏈路管理層(LMP)組成。目前大多數生產廠家都是利用片上系統技術SOC(System- On-Chip)將這三層功能模塊集中嵌在同一塊芯片上。圖2為單芯片藍牙硬件模塊結構圖。它由微處理器(CPU)、無線收發器(RF)、基帶控制器(BB)、靜態隨機存儲器(SRAM)、閃存(Flash 程序存儲器)、通用異步收發器(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。?
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??? (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生器、可編程序列發生器、內部語音處理器、共享RAM仲裁器及定時鏈管理、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,實現藍牙基帶部分的所有實時處理功能,包括負責對接收的bit流進行符號定時提取和恢復;分組頭及凈荷的循環沉余度校驗(CRC);分組頭及凈荷的前向糾錯碼(FEC)處理和發送處理;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(諸如數據路徑RAM客戶接口、微處理器接口、脈碼調制接口(PCM)等。?
??? (2)無線收發器模塊?
??? 無線收發器是藍牙設備的核心,任何藍牙設備都要有無線收發器。它與用于廣播的普通無線收發器的不同之處在于體積小、功率小(目前生產的藍牙無線收發器的最大輸出功率只有100mW、2.5mW、1mW三種)。它由鎖相環、發送模塊和接收模塊等組成。發送部分包括一個倍頻器,且直接使用壓控振蕩器調制(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。無線收發器的主要功能是調制/解調、幀定時恢復和跳頻功能同時完成發送和接收操作。發送操作包括載波的產生、載波調制、功率控制及自動增益控制AGC;接收操作包括頻率調諧至正確的載波頻率及信號強度控制等。?
??? (3)微處理器(CPU)?
??? CPU負責藍牙比特流調制和解調后的所有比特級處理,且還負責控制收發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,在工作時把Flash中的軟件調到SRAM中。?
??? (5)語音編/解碼器CODEC(Coder Decoder)?
??? 語音編/解碼器CODEC由ADC(數模轉換器)、模數轉換口(ADC)、數字接口、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)即連續可變斜率增量調制及對數PCM(Pulse Coded Modulation)即脈碼調制兩種編碼方式。?
??? (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。一般測試設備和被測試設備構成一個微微網,測試設備是主節點,DUT是從節點。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范,同時還管理產品的生產和售后測試。?
??? (7)UART(Universal Asynchronous Keceiver Transunitter)通用異步收發器和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?
??? TR0700單芯片是Transilica公司的藍牙產品,其結構如圖3所示。它把無線收發器與基帶都集成到一塊CMOS芯片上,替代傳統的串行語音和通用串行接口電纜,為語音和數據業務提供無線連接。?
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3.1 結構及工作原理?
??? TR0700單芯片由收發器、基帶、語音編/解碼器(CODEC)、帶有4個可配置的8 bit接口的8051微處理器、兩個串行口和雙高性能的通用異步收發器(UART)、4KB的靜態隨機存儲器(SRAM)、64KB的Flash程序存儲器等組成。?
??? 收發器由低噪放大器(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,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)傳輸的調制信號。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制指數信號;發送器由發送濾波器、頻率合成器、功率放大器、振蕩器、天線等組成。其工作原理是:發送濾波器是一個高斯數字濾波器,它對發送環TX輸入的數據進行數字過濾;振蕩器的功能是驅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藍牙協議棧。它具有一個增強的指令集、二級數據指針、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,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。TR0700的基帶操作有三種模式可供選擇:數據/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的數據速率;支持79跳系統及支持點到點、點到多點連接,既可以是主節點又可以是從節點;支持GAP、TCS、手機、intercom剖面和串行口等;支持Hold、Sniff 和Park功率節省模式;對LC、LM、L2CAP、SDP、RFCOMM等藍牙協議棧能完全實現;對于SCO鏈路支持HV1、HV2、HV3數據分組;對于ACL分組支持DM1、DM3、DM5、DH1、DH3、DH5和AUX1數據分組;具有用于測試和Flash內存升級的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、調制解調器、手持設備、互聯設備、小型監視器;用于計算機方面有鍵盤、鼠標、控制桿、掃描儀、監視器、打印機、桌面、筆記本計算機等。用于消費類的PDA、耳機、監視系統、游戲控制器和數字相機等。?
??? 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的固定或移動設備連接起來,使人們能夠更方便更快速地進行語音和數據的交換,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品的成功開發,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。?
參考文獻?
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2 Bluetooth profiles. http:\www. palowireless. com, 2000.12?
3 Bluetooth tutorial. http:\www. bluetooth. 2000.12?
4 http:\www. research.com?
5 李 純, 周開波譯.藍牙技術起跳[M]. 北京:電子工業出版社,2002.1