藍(lán)牙技術(shù)硬件實(shí)現(xiàn)模式分析

   摘要：介紹了藍(lán)牙技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)，并結(jié)合Transilica公司生產(chǎn)的Onechip藍(lán)牙產(chǎn)品TR0700單芯片，分析了硬件實(shí)現(xiàn)模式。

藍(lán)牙技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù)。它的主要目的是在全世界建立一個(gè)短距離的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。它使用2.4GHz～2.5GHz的ISM（Industrion Scientifc Medical）頻段來(lái)傳送話音和數(shù)據(jù)。運(yùn)用成熟、實(shí)用、先進(jìn)的無(wú)線技術(shù)來(lái)代替電纜，它提供了低成本、低功耗的無(wú)線接口，使所有固定和移動(dòng)設(shè)備通過(guò)微微網(wǎng)PAN（Personal Area Network）連接起來(lái)，諸如：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、家庭影院系統(tǒng)、無(wú)繩電話系統(tǒng)、通信設(shè)備等，相互通信，實(shí)現(xiàn)資源共享。藍(lán)牙技術(shù)支持多種電子設(shè)備之間的短距離無(wú)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(dāng)一個(gè)嵌入了藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備發(fā)覺(jué)另一同樣嵌入藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備，它們就能自動(dòng)同步，相互通信，實(shí)現(xiàn)資源共享。

1 藍(lán)牙的結(jié)構(gòu)體系

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

    1.1 藍(lán)牙的底層模塊

底層模塊是藍(lán)牙技術(shù)的核心模塊，所有嵌入藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)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(wú)線連接層（RF）通過(guò)2.4GHz無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的過(guò)濾和傳輸；它主要定義了工作在此頻段的藍(lán)牙接收機(jī)應(yīng)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(wú)連接鏈路ACL Asynchronous Connection Less），負(fù)責(zé)跳頻和藍(lán)牙數(shù)據(jù)及信息幀的傳輸，且對(duì)所有類型的數(shù)據(jù)包提供了不同層次的前向糾錯(cuò)碼FEC（Frequency Error Correction）或循環(huán)沉余度差錯(cuò)校驗(yàn)CTC（Cyclic Redundancy Check）；LMP層負(fù)責(zé)兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備鏈路的建立和拆除及鏈路的安全和控制，如鑒權(quán)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(wèn)入口；藍(lán)牙主機(jī)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(lán)牙協(xié)議中軟硬件之間的接口，提供了一個(gè)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(gè)模塊接口之間的消息和數(shù)據(jù)的傳遞必須通過(guò)HCI的解釋才能進(jìn)行。HCI層以上的協(xié)議軟件實(shí)體運(yùn)行在主機(jī)上，而HCI以下的功能由藍(lán)牙設(shè)備來(lái)完成，二者之間通過(guò)傳輸層進(jìn)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(wù)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(jìn)制電話控制協(xié)議TCS（Telephony Control protocol Spectocol）組成。L2CAP是藍(lán)牙協(xié)議棧的核心組成部分，也是其它協(xié)議實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。它位于基帶之上，向上層提供面向連接和無(wú)連接的數(shù)據(jù)服務(wù)。它主要完成數(shù)據(jù)的拆裝、服務(wù)質(zhì)量控制、協(xié)議的復(fù)用、分組的分割和重組（Segmentation And Reassembly）及組提取等功能。L2CAP允許高達(dá)64KB的數(shù)據(jù)分組。SDP是一個(gè)基于客戶/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的協(xié)議。它工作在L2CAP層之上，為上層應(yīng)用程序提供一種機(jī)制來(lái)發(fā)現(xiàn)可用的服務(wù)及其屬性，而服務(wù)屬性包括服務(wù)的類型及該服務(wù)所需的機(jī)制或協(xié)議信息。RFCOMM是一個(gè)仿真有線鏈路的無(wú)線數(shù)據(jù)仿真協(xié)議，符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)的TS 07.10串口仿真協(xié)議。它在藍(lán)牙基帶上仿真RS-232的控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，為原先使用串行連接的上層業(yè)務(wù)提供傳送能力。TCS是一個(gè)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(lán)牙設(shè)備之間建立語(yǔ)音和數(shù)據(jù)呼叫的控制信令（Call Control Signalling），并負(fù)責(zé)處理藍(lán)廾設(shè)備組的移動(dòng)管理過(guò)程。

1.3 高端應(yīng)用層

高端應(yīng)用層位于藍(lán)牙協(xié)議棧的最上部分。一個(gè)完整的藍(lán)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(yīng)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(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議，由封裝、鏈路控制協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議組成，定義了串行點(diǎn)到點(diǎn)鏈路應(yīng)當(dāng)如何傳輸因特網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)，它要用于LAN接入、撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)及傳真等應(yīng)用規(guī)范；TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議）、UDP（User Datagram Protocol對(duì)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(luò)相關(guān)的通信及其他類型計(jì)算機(jī)設(shè)備和外圍設(shè)備之間的通信。藍(lán)牙采用或共享這些已有的協(xié)議去實(shí)現(xiàn)與連接因特網(wǎng)的設(shè)備通信，這樣，既可提高效率，又可在一定程度上保證藍(lán)牙技術(shù)和其它通信技術(shù)的互操作性；OBEX（Object Exchange Protocol）是對(duì)象交換協(xié)議，它支持設(shè)備間的數(shù)據(jù)交換，采用客戶/服務(wù)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(gè)開放性標(biāo)準(zhǔn)還定義了可用于交換的電子商務(wù)卡、個(gè)人日程表、消息和便條等格式；WAP（Wireless Application Protocol）是無(wú)線應(yīng)用協(xié)議，它的目的是要在數(shù)字蜂窩電話和其它小型無(wú)線設(shè)備上實(shí)現(xiàn)因特網(wǎng)業(yè)務(wù)。它支持移動(dòng)電話瀏覽網(wǎng)頁(yè)、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(wú)線應(yīng)用環(huán)境，它提供用于WAP電話和個(gè)人數(shù)字助理PDA所需的各種應(yīng)用軟件。

2 藍(lán)牙硬件的實(shí)現(xiàn)

藍(lán)牙的技術(shù)規(guī)范除了包括協(xié)議部分外還包括藍(lán)牙的應(yīng)用部分（即應(yīng)用模型）。在實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙的時(shí)候，一般是將藍(lán)牙分成兩部分來(lái)考慮，其一是軟件實(shí)現(xiàn)部分，它位于HCI的上面，包括藍(lán)牙協(xié)議棧上層的L2CAP、RFCOMM、SDP和TCS以及藍(lán)牙的一些應(yīng)用；其二是硬件實(shí)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(biāo)示出。下面討論藍(lán)牙硬件模塊的結(jié)構(gòu)與性能。

藍(lán)牙硬件模塊由藍(lán)牙協(xié)議棧的無(wú)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(shù)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(lán)牙硬件模塊結(jié)構(gòu)圖。它由微處理器（CPU）、無(wú)線收發(fā)器（RF）、基帶控制器（BB）、靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）、閃存（Flash程序存儲(chǔ)器）、通用異步收發(fā)器（UAST）、通用串行接口（USB）、語(yǔ)音編/解碼器（CODEC）及藍(lán)牙測(cè)試模塊組成。下面分別敘述各部分的組成及功能。

（1）藍(lán)牙基帶控制器

藍(lán)牙基帶控制器是藍(lán)牙硬件模塊的關(guān)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(yǔ)音處理器、共享RAM裁器及定時(shí)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(shí)現(xiàn)藍(lán)牙基帶部分的所實(shí)時(shí)處理功能，包括負(fù)責(zé)對(duì)接收bit流進(jìn)行符號(hào)定時(shí)提取的恢復(fù)；分組頭及凈荷的循環(huán)沉余度校驗(yàn)（CRC）；分組頭及凈荷的前向糾錯(cuò)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(wú)線收發(fā)器模塊

無(wú)線收發(fā)器是藍(lán)牙設(shè)備的核心，任何藍(lán)牙設(shè)備都要有無(wú)線收發(fā)器。它與用于廣播的普通無(wú)線收發(fā)器的不同之處在于體積小、功率?。壳吧a(chǎn)的藍(lán)牙無(wú)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(gè)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(wú)線收發(fā)器的主要功能是調(diào)制/解調(diào)、幀定時(shí)恢復(fù)和跳頻功能同時(shí)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(dòng)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(hào)強(qiáng)度控制等。

（3）微處理器（CPU）

CPU負(fù)責(zé)藍(lán)牙比特流調(diào)制和解調(diào)所的所有比特級(jí)處理，且還負(fù)責(zé)控制收發(fā)器和專用的語(yǔ)言編碼和解碼器。

（4）Flash存儲(chǔ)器和SRAM

Flash存儲(chǔ)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(yùn)行空間，在作時(shí)把Flash中的軟件調(diào)用SRAM中。

（5）語(yǔ)音編/解碼器CODEC（Coder Decoder）

語(yǔ)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(yǔ)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(duì)數(shù)PCM（Pulse Coded Modulation）即脈碼調(diào)制兩種編碼方式。

（6）藍(lán)牙測(cè)試模塊

它是由DUT（Device Under Test）即被測(cè)試模塊與測(cè)試設(shè)備及計(jì)量設(shè)備組成。一般測(cè)試 設(shè)備被測(cè)試設(shè)備構(gòu)成一個(gè)微微網(wǎng)，測(cè)試設(shè)備是主節(jié)點(diǎn)，DUT是從節(jié)點(diǎn)。測(cè)試設(shè)備對(duì)整個(gè)測(cè)試過(guò)程進(jìn)行控制，其主要功能提供無(wú)線層和基帶層的認(rèn)證和一致性規(guī)范，同時(shí)還管理產(chǎn)品的生產(chǎn)和售后測(cè)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(jī)控制器接口傳輸層的物理連接，是高層與物理模塊進(jìn)行通信的通道。

3 TR0700單芯片介紹

RT0700單芯片是Transilica公司的藍(lán)牙產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。它把無(wú)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(yǔ)音和通用串行接口電纜，為語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無(wú)線連接。

3.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

RT0700單芯片由收發(fā)器、基帶、語(yǔ)音編/解碼器（CODEC）、帶有4個(gè)可配置的8bit接口的8051微處理器、兩個(gè)串行口雙高性能的通用異步收發(fā)器（UART）、4KB的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）、64KB的Flash程序存儲(chǔ)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(lái)自接收天線上的信號(hào)經(jīng)低噪放大器（LNA）放大后，送至多級(jí)濾波器，多級(jí)濾波器具有預(yù)選擇功能，它把LAN的輸出信號(hào)限制在2.4GHz的ISM頻段內(nèi)，去除負(fù)頻率成分，輸出適合進(jìn)行下變頻處理的信號(hào)。I、Q混頻器把藍(lán)牙頻段的信號(hào)移頻至低中頻（IF）傳輸?shù)恼{(diào)制信號(hào)。復(fù)合濾波器負(fù)責(zé)從下變頻信號(hào)中濾除無(wú)用信號(hào)和噪聲。鑒頻器使用過(guò)采樣技術(shù)從IF信號(hào)中取出藍(lán)牙低調(diào)制指數(shù)信號(hào)；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(gè)高斯數(shù)字濾波器，它對(duì)發(fā)送環(huán)Tx輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字過(guò)濾；振蕩器的功能是驅(qū)動(dòng)一個(gè)外部的晶體振蕩器或者接受一個(gè)外部的時(shí)鐘信號(hào)，向頻率合成器提供一個(gè)低噪聲的參考頻率。功率放大器的主要功能是對(duì)頻率合成器的輸出功率放大到1mW左右，且對(duì)頻率合成器起緩沖作用，減少負(fù)載變化對(duì)合成器的影響；發(fā)送天線：當(dāng)使用差分輸入的LNA時(shí)，它可以是一個(gè)低噪聲的平衡雙極天線；8051微處理器是一個(gè)8位的微處理器，它的主要功能是管理和實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙協(xié)議棧。它具有一增強(qiáng)的指令集、二級(jí)數(shù)據(jù)指針、擴(kuò)展的SRAM和雙UART。在TR0700中對(duì)一些重復(fù)性的操作諸如分組的組裝和拆解、加密、地址編碼/解碼、糾錯(cuò)和同步等都由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣能降低處理器的開銷，有效地提高響應(yīng)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(gè)帶有特殊保護(hù)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(cè)試。

    3.2 基本功能及應(yīng)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(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)連接，既可以是主節(jié)點(diǎn)又可以是從節(jié)點(diǎn)；支持GAP、TCS、手機(jī)、intercom剖面和串行口等；支持Hold、Sniff和Park功率節(jié)省模式；對(duì)LC、LM、L2CAP、SDP、RECOMM等藍(lán)牙協(xié)議棧能完全實(shí)現(xiàn)；對(duì)于SCO鏈路支持HV1、HV2、HV3數(shù)據(jù)分組；對(duì)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(cè)試和Flash內(nèi)存升級(jí)的JTAG接口。TR0700單芯片的主要應(yīng)用有：用于電信方面的峰房和無(wú)繩電話、調(diào)制解調(diào)器、手持設(shè)備、互聯(lián)設(shè)備、小型監(jiān)視器；用于計(jì)算機(jī)方面有鍵盤、鼠標(biāo)、控制桿、掃描儀、監(jiān)視器、打印機(jī)、桌面、筆記本計(jì)算機(jī)等。用于消費(fèi)類的PDA、耳機(jī)、監(jiān)視系統(tǒng)、游戲控制器和數(shù)字相機(jī)等。

藍(lán)牙技術(shù)作為一個(gè)開放的無(wú)線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，能通過(guò)無(wú)線連接方式將一定范圍內(nèi)的固定或移動(dòng)設(shè)備連接起來(lái)，使人們能夠更方面更快速地進(jìn)行語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的交換，這無(wú)疑將會(huì)成為未來(lái)無(wú)線通信領(lǐng)域的一個(gè)重要的研究方向。本文所描述的藍(lán)牙技術(shù)硬件實(shí)現(xiàn)模式分析，只是藍(lán)牙核心技術(shù)中的一小部分，隨著藍(lán)牙技術(shù)的不斷完善與產(chǎn)品的成功開發(fā)，可以肯定，藍(lán)牙技術(shù)將會(huì)逐漸進(jìn)入我們的工作和生活，成為不可缺少的一部分。