藍牙耳機_藍牙耳機原理圖 - 全文

藍牙作為一種新的短距離無線通信技術在當今社會的使用是越來越高了，其中最為常見的就是藍牙耳機。手機呼叫手機呼叫免提接聽的功能。在藍牙Head Set 模型中首先需要明確兩個角色: 一個是A G(A udio Gateway) , 他充當音頻網(wǎng)關, 既可以作為音頻輸入也可以作為音頻輸出; 另一個是HS (Head Set) , 即藍牙耳機, 他是一個作為藍牙遠端音頻輸入與輸出的設備, 并且提供了一些遠端控制方式。


1、藍牙系統(tǒng)的功能模塊
藍牙系統(tǒng)的基本功能模塊如圖1 所示。他的功能模塊包括天線單元、鏈路控制器、鏈路管理、軟件功能。

111　無線技術規(guī)范
藍牙天線屬于微帶天線, 藍牙無線接口是基于常規(guī)無線發(fā)射功率0 dBm 設計的, 符合美國聯(lián)通訊委員會(FCC) 的ISM 頻段的規(guī)定。擴展頻譜技術的應用使得功率可增至100 dBm, 可滿足不同國家的需要。在日本、西班牙、法國, 由于當?shù)匾?guī)定的頻段相對較窄, 可用內(nèi)部軟件轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。
112　基帶技術規(guī)范
基帶描述了設備的數(shù)字信號處理部分, 即藍牙鏈路控制器, 他完成基帶協(xié)議和其他底層的鏈路規(guī)程。主要包括以下幾個方面:
(1) 網(wǎng)絡連接的建立
(2) 鏈路類型和分組類型
鏈路類型決定了哪種分組模式能在特定的鏈路上使用, 藍牙基帶技術支持2 種鏈路類型: 即同步面向連接類型SCO (主要用于語音) 和異步非連接類型ACL (主要用于分組數(shù)據(jù))。
(3) 糾錯
基帶控制器采用3 種糾錯方式: 1?3 速率前向糾錯編碼(FEC) , 2?3 速率前向糾錯編碼(FEC) , 對數(shù)據(jù)的自動請求重傳(ACL )。
(4) 鑒權和加密
藍牙基帶部分在物理層為用戶提供保護和信息保密機制。鑒權基于“請求響應”運算法則。鑒權是藍牙系統(tǒng)中的關鍵部分, 他允許用戶為個人的藍牙設備建立一個信任域, 比如只允許主人自己的筆記本電腦通過主人自己的移動電話通信。加密被用來保護連接的個人信息。密鑰由程序的高層來管理。網(wǎng)絡傳送協(xié)議和應用程序可以為用戶提供一個較強的安全機制。

2、Head Set 應用模型的協(xié)議棧結構
藍牙的協(xié)議棧采用分層結構, 如圖2 所示。

各層功能簡要介紹如下:
基帶(baseband) 是藍牙的物理層, 主要負責物理信道的編解碼, 底層的定時控制, 以及在單個數(shù)據(jù)包傳送期間的鏈路管理等業(yè)務, 在原始的荷載數(shù)據(jù)上增加地址域和控制域, 并進行錯誤檢測或糾正。
LC (L ink Cont ro l) 層負責在一批數(shù)據(jù)包傳送期間, 響應上層LM 命令(如執(zhí)行建立數(shù)據(jù)包的傳輸鏈路, 維持鏈路等功能的LM 命令)。
LM (L inkM anager) 層是藍牙協(xié)議棧的鏈路管理層協(xié)議, 他負責將上層HC I 命令翻譯成基帶能接受的操作, 建立ACL (數(shù)據(jù)) 和SCO (語音) 鏈接, 以及使藍牙設備進入節(jié)能狀態(tài)的工作模式等。
M E (M anagement Ent ity) 為管理實體, 他的功能是發(fā)現(xiàn)遠端設備并且與他們建立連接, 為需要管理藍牙微微網(wǎng)的應用層和其他系統(tǒng)層提供接口A P I。
SE (SecurityM anager) 和M E 一起工作允許應用程序?qū)﹁b權和加密進行設置, 真正的鑒權和加密是由硬件來實現(xiàn)的。
邏輯鏈路控制協(xié)議(L 2CA P) 采用了信道的概念在藍牙設備不同應用之間建立不同的路徑, 但他只支持ACL鏈路。主要功能是為高層應用層提供協(xié)議復用, 允許他們共享低層數(shù)據(jù)鏈路。并對超過低層支持的大數(shù)據(jù)包進行分組和重組操作, 同時提供了對上層服務的質(zhì)量管理。
業(yè)務搜尋協(xié)議(SDP) 是極其重要的部分, 他提供了一種SDP 客戶向SDP 服務器查詢關于服務信息的方式。服務器維護一個服務記錄列表, 服務記錄列表描述與該服務器有關的服務特征?？蛻舳丝梢酝ㄟ^發(fā)送一個SDP 請求從服務器記錄中索取服務信息, 業(yè)務及業(yè)務特征, 并在查詢之后建立兩個或多個藍牙設備間的連接。
RFCOMM 提供串口仿真, 藍牙的低層負責提供無線的連接方式, 但在此之前已經(jīng)存在很多傳統(tǒng)的應用都是基于有線方式開發(fā)的, 藍牙如果不能解決對傳統(tǒng)協(xié)議的適配問題, 就很難成為一個廣泛應用的標準。為此, 藍牙制定了像RFCOMM 的適配協(xié)議來實現(xiàn)對傳統(tǒng)應用的支持。
Head Set 控制層: 主要是實現(xiàn)Head Set 的P rofile 定義的功能, 例如對音頻網(wǎng)關的M IC (麥克風) 的音量控制,對SPK (揚聲器) 的音量控制, SCO 鏈接的建立與釋放,以及音頻轉(zhuǎn)移等。
音頻端口應用層: 是一些針對應用的功能, 耳機應用層必須實現(xiàn)的應用特征有:
(1) 接到A G 的呼叫時能建立音頻鏈接, 通話結束后能斷開音頻鏈接。
(2) 能發(fā)起對遠方的呼叫, 通話結束后同樣能斷開音頻鏈接。
(3) 音頻鏈接轉(zhuǎn)移。
(4) 對遠端A G 的音量控制。

3、Head Set 的建鏈
當藍牙音頻網(wǎng)關A G 接收到一個呼叫, 發(fā)起與HS 的鏈接時, 為使應用層語音通信可靠, 需要藍牙協(xié)議棧建立可靠的通信鏈路。根據(jù)藍牙協(xié)議棧運行, 從底層到高層的建鏈一般要經(jīng)過以下幾個過程:
(1) 建立ACL 即基帶層的鏈接;
(2) 建立L 2CA P 層的鏈接;
(3) 進行SDP 的查詢過程;
(4) 建立RFCOMM 層的鏈路;
(5) RFCOMM 鏈路建好后, 將通過RFCOMM 信道傳輸Head Set 控制層的一些A T 命令;
(6) 建立SCO 鏈接;
(7) 根據(jù)應用層的動作執(zhí)行藍牙HS 與A G 之間的音頻通信。
藍牙協(xié)議棧的建鏈過程具體討論如下。
3.1　建立ACL 即基帶層的鏈接
A G 接收到一個呼叫時, 首先建立與HS 之間的ACL鏈接, 此HS 與A G 之間需預先綁定, 或者把原來處于休眠狀態(tài)下的HS 喚醒。這是通過page 進程完成的, 在用page 進程建立ACL 時, 定義A G 是M aster 角色, 于是A G首先發(fā)起查詢, 通過查詢A G 獲得HS 的藍牙地址。然后A G 在應用層的驅(qū)動下向查詢到的HS 發(fā)起一個page 進程, 當接收到HS 返回的應答時, 這時A G 與HS 之間的
ACL 鏈接已經(jīng)成功建立。
一旦ACL 鏈接建立, 他可以被用來傳送振鈴信號。振鈴信號的發(fā)送是通過A T 命令R IN G 來完成的。振鈴信號也可以在SCO 鏈路上發(fā)送。
3.2　建立L 2CA P 層的鏈接
ACL 鏈接好后, 接著建L 2CA P 鏈路。A G 首先在信令信道上發(fā)送一個鏈接請求信令, 要求建立信道標號為0x0040 的L 2CA P (0x0001～ 0x003F 是協(xié)議保留不可動態(tài)分配的, 0x0040～ 0xFFFF 可以自由分配) , 此信道的PSM (協(xié)議服務復用) 標志0001, 當對方返回鏈接響應信號, 表明0x0040 信道已經(jīng)建好。然后對此信道進行配置,配置完信道后, 就可以利用此C ID 為0x0040 的L 2CA P 信道進行SDP 查詢了。
3.3　進行SDP 的查詢過程
利用C ID 為0x0040 的L 2CA P 信道進行SDP 的查詢過程, 首先是A G 在此L 2CA P 信道上發(fā)送一個SDP 查詢包, SDP 查詢包將查詢SDP 服務器端HS 是否具有所需要的服務。若查詢成功, 在ACL 鏈路上再建一條標號為0x0041 的L 2CA P 鏈路, 此信道的PSM 為0003, 用來傳輸RFCOMM 數(shù)據(jù)流的。同時斷開用作SDP 查詢的標號為0x0040 的L 2CA P 鏈路。
3.4　建立RFCOMM 層的鏈路
當C ID 為0x0041 的L 2CA P 信道建好之后, 接著就是RFCOMM 的建鏈過程, 如圖3 所示。首先建控制信道, 建鏈發(fā)起方A G 在信道上發(fā)送一個SABM 幀, 即要求建RFCOMM 層上的Channel0, 如果響應方HS 希望建立鏈接, 返回一個UA 幀, 表明已經(jīng)建立好了Channel0 這條RFCOMM 信道。此信道為控制信道, 用來傳送攜帶控制消息和命令的U IH 幀。如果響應方HS 不希望建立鏈接,返回一個DM 幀。

其次建立數(shù)據(jù)信道, 先是對數(shù)據(jù)傳送信道的參數(shù)進行協(xié)商, 協(xié)商命令PN 參數(shù)包括對將要建立的信道Channel1的優(yōu)先級, 最大幀長等, 當雙方協(xié)商好后建立傳輸數(shù)據(jù)的信道Channel1。
RFCOMM 層的數(shù)據(jù)信道建好后, 再對Head Set 控制層的控制命令進行傳輸。即在數(shù)據(jù)傳送信道Channel1 上利用U IH 幀傳送A T + CKPD= 200 等命令, 當接收到對方的響應OK 之后, 就可以開始建立SCO 鏈接。
3.5　建立SCO 鏈接
初始化時HC I 發(fā)一個WR ITE_ VO ICE_ SETT IN G命令, 對音頻狀態(tài)進行設置, 當接收到A G 的建立SCO 鏈接的請求時, 若HS 允許, 發(fā)送一個接收的HC I 命令, 在命令完成之后, 傳輸音頻信號的SCO 鏈路就建好了, 此時就可以進行語音通信。

4、應用層的狀態(tài)機設計
在協(xié)議棧的通信鏈路建立后, 可以進行應用層通信。應用層有一個主狀態(tài)機在運行, 如圖4 所示。根據(jù)用戶的動作以及A G 發(fā)送的命令, HS 應用進程將在各狀態(tài)之間跑動。

空閑狀態(tài)　HS 與A G 之間可能已經(jīng)存在ACL 鏈接,但沒有RFCOMM 信道建立, 也沒有音頻信號的SCO 鏈路存在。當A G 響應內(nèi)部事件或者用戶請求時, 便發(fā)起鏈接建立的請求, HS 接收到建立鏈接的請求時, HS 與A G開始建ACL , L 2CA P, RFCOMM 鏈路, 建好RFCOMM信道后, A G 發(fā)送一個或多個A T + R IN G 的振鈴指示命令, 通知HS 用戶有入呼的音頻鏈接到達。此時狀態(tài)將轉(zhuǎn)至來電振鈴狀態(tài)。
來電振鈴狀態(tài)　此時音頻網(wǎng)關A G 已經(jīng)建立了與HS的ACL 與RFCOMM 信道, 并且HS 已經(jīng)接收到振鈴信號, 這預示著音頻網(wǎng)關要求建立SCO 鏈接, 若用戶不對振鈴做出響應, 音頻網(wǎng)關將終止RFCOMM 信道, 狀態(tài)將重新回到空閑狀態(tài), 若用戶按下HS 上的Bluetoo th 鍵, 則表示用戶接受入呼音頻鏈接的請求, 這時HS 將發(fā)送A T 控制命令A T+ CKPD 給A G, 這時兩者之間將建立SCO 鏈
接, 狀態(tài)將轉(zhuǎn)至鏈接狀態(tài)。
呼叫狀態(tài)　當HS 用戶按下HS 上的Bluetoo th 鍵, 用戶發(fā)出呼叫音頻網(wǎng)關的請求, 這時HS 將先建立ACL 鏈接, 再對音頻網(wǎng)關進行SDP 查詢。若SDP 查詢成功, HS打開與A G 鏈接的RFCOMM 信道, 并且發(fā)送A T 命令+CKPD 要求建立SCO 的音頻鏈接。當SCO 鏈接建立時, 狀態(tài)將轉(zhuǎn)移到連接狀態(tài), 若SCO 鏈接建立失敗, 狀態(tài)將轉(zhuǎn)到空閑狀態(tài)。
鏈接狀態(tài)　鏈接狀態(tài)下, ACL , L 2CA P, RFCOMM都已經(jīng)建立, 而且已經(jīng)執(zhí)行了SDP 查詢, 音頻通話就緒。若用戶對HS 講話, 語音將通過SCO 鏈路傳送至A G, 并通過A G 將語音傳到遠端。
鏈接斷開狀態(tài)　鏈接斷開可以通過HS 上的Bluetoo th 鍵完成, 也可以通過A G 的內(nèi)部事件或用戶干預觸發(fā)產(chǎn)生。無論那一種原因引起, 實質(zhì)上都是A G 鏈路釋放的結果。如果HS 發(fā)出了斷開鏈接的請求, 并且發(fā)送一個A T 命令+ CKPD 到音頻網(wǎng)關要求音頻網(wǎng)關斷開鏈接, 于是音頻網(wǎng)關斷開SCO 鏈接和RFCOMM 信道。當RFCOMM 斷開時, 狀態(tài)將轉(zhuǎn)換到空閑狀態(tài)。而ACL 鏈接有可能處于斷開狀態(tài)也有可能處于鏈接狀態(tài)。

5、Head Set 的實現(xiàn)方案
以摩托羅拉藍牙解決方案為例, 摩托羅拉在先進射頻技術方面很有經(jīng)驗。摩托羅拉藍牙解決方案可利用UART, RS 232, U SB 或SP I 連接主處理器, 而主處理器可通過這些接口處理藍牙協(xié)議上的堆棧及主控制器的接口等功能; 而這個藍牙解決方案則負責執(zhí)行下堆棧(主控制器接口, 鏈路管理程序協(xié)議, 基帶及射頻) 其余的功能。并采用摩托羅拉的MCORETM 32 位精簡指令集運算
(S ISC) 處理器內(nèi)核, 內(nèi)含一個高度靈活的外圍設備集, 適用于多種不同的嵌入式藍牙應用方案。圖5 為一個采用摩托羅拉解決方案用于蜂窩式電話的例子。通用異步收發(fā)器是連接蜂窩式電話基帶處理器與摩托羅拉解決方案的接口, 而SS I 則為語音通訊提供支持。

近年來移動通信、便攜式計算機以及因特網(wǎng)的迅速發(fā)展, 使人們對電話通信以外的各種數(shù)據(jù)信息傳遞的需求日益增長?！八{牙”技術把各種便攜式電腦與蜂窩移動電話用無線電路連接起來, 使計算機與通信更加密切結合起來,使人們能隨時隨地進行數(shù)據(jù)信息的交換與傳輸。