??? 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" title="單芯片">單芯片,分析了硬件實(shí)現(xiàn)模式。
??? 關(guān)鍵詞:? 藍(lán)牙技術(shù)? 硬件實(shí)現(xiàn)? 鏈路" title="鏈路">鏈路管理與控制? 跳頻
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??? 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)短距離的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。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(yùn)用成熟、實(shí)用、先進(jìn)的無線技術(shù)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(dòng)設(shè)備通過微微網(wǎng)PAN(Personal Area Network)連接起來,諸如:計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、家庭影院系統(tǒng)、無繩電話系統(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" title="協(xié)議棧">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。?
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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 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(shí)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(lán)牙接收機(jī)應(yīng)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(fù)責(zé)跳頻和藍(lán)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(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入口;藍(lán)牙主機(jī)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(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)備來完成,二者之間通過傳輸層進(jìn)行交互。?
1.2 中間協(xié)議層?
??? 中間協(xié)議層" title="協(xié)議層">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)制來發(fā)現(xiàn)可用的服務(wù)及其屬性,而服務(wù)的屬性包括服務(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,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)牙設(shè)備組的移動(dòng)管理過程。?
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),它主要用于LAN接入、撥號網(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、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(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,這已在圖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)議棧的無線收發(fā)器" title="無線收發(fā)器">無線收發(fā)器(RF)、基帶控制器(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中嵌在同一塊芯片上。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)、無線收發(fā)器(RF)、基帶控制器(BB)、靜態(tài)隨機(jī)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(lán)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(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、可編程序列發(fā)生器、內(nèi)部語音處理器、共享RAM仲裁器及定時(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)牙基帶部分的所有實(shí)時(shí)處理功能,包括負(fù)責(zé)對接收的bit流進(jìn)行符號定時(shí)提取和恢復(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)無線收發(fā)器模塊?
??? 無線收發(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、功率小(目前生產(chǎn)的藍(lán)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(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)后的所有比特級處理,且還負(fù)責(zé)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(yùn)行空間,在工作時(shí)把Flash中的軟件調(diào)到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(lán)牙測試模塊?
??? 它是由DUT(Device Under Test)即被測試模塊與測試設(shè)備及計(jì)量設(shè)備組成。一般測試設(shè)備和被測試設(shè)備構(gòu)成一個(gè)微微網(wǎng),測試設(shè)備是主節(jié)點(diǎn),DUT是從節(jié)點(diǎn)。測試設(shè)備對整個(gè)測試過程進(jìn)行控制,其主要功能提供無線層和基帶層的認(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?
??? TR0700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(wù)提供無線連接。?
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3.1 結(jié)構(gòu)及工作原理?
??? TR0700單芯片由收發(fā)器、基帶、語音編/解碼器(CODEC)、帶有4個(gè)可配置的8 bit接口的8051微處理器、兩個(gè)串行口和雙高性能的通用異步收發(fā)器(UART)、4KB的靜態(tài)隨機(jī)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(yù)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(fù)頻率成分,輸出適合進(jìn)行下變頻處理的信號。I、Q混頻器把藍(lán)牙頻段的信號移頻至低中頻(IF)傳輸?shù)恼{(diào)制信號。復(fù)合濾波器負(fù)責(zé)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(shù)從IF信號中取出藍(lán)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(gè)高斯數(shù)字濾波器,它對發(fā)送環(huán)TX輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字過濾;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,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(fù)載變化對合成器的影響;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。它具有一個(gè)增強(qiáng)的指令集、二級數(shù)據(jù)指針、擴(kuò)展的SRAM和雙UART。在TR0700中對一些重復(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。TR0700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(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LC、LM、L2CAP、SDP、RFCOMM等藍(lán)牙協(xié)議棧能完全實(shí)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、DH1、DH3、DH5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(yīng)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(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)開放的無線應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),能通過無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,使人們能夠更方便更快速地進(jìn)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(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)將會逐漸進(jìn)入我們的工作和生活,成為不可缺少的一部分。?
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