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1 引言 Bluetooth（藍牙）作為新的短程無線電通信技術，可以隨時隨地用無線接口來代替有線電纜連接，可應用于多種通信場合，如WAP、GSM、 DECT等完成身份識別后可以靈活實現漫游，推動和擴大了無線通信的應用范圍，使網絡中的各種數字和語音設備互連互通，實現個人區域內快速靈便的數據和語音通信以及資源共享。Bluetooth技術在電信、計算機、家電等方面有著廣闊的應用前景[4] ，計算機與外設之間通過Bluetooth技術實現控制信號和數據的無線傳輸；打印機、鍵盤、鼠標通過Bluetooth成為無線的可移動外設；各種家電和辦公設備通過Bluetooth技術實現家庭無線網絡和辦公自動化網絡。由Bluetooth 基帶控制器和無線射頻接收器接口組成Bluetooth模塊，可向數字和語音設備提供全兼容的Bluetooth 接口。通過Bluetooth 模塊的UART/PCM和USB與應用設備的接口，可構成Bluetooth 設備。Bluetooth 模塊功耗低，對人體危害小，應用簡單，成本低廉，容易實現，易于推廣。 2 Bluetooth系統結構 Bluetooth系統的功能由無線射頻收發器、基帶鏈路控制器、鏈路管理與控制以及協議棧（軟件）等部分組成（圖1），其中無線射頻收發器和基帶控制器配合可構成完整的低功耗的Bluetooth模塊，提供高至主機控制器接口（HCI）層的功能。Bluetooth 無線射頻收發器完成空中接口的功能，采用跳頻擴譜（FHSS）技術，在2.45GHz ISM頻段上，從起始頻率2.420GHz到終止頻率2.480GHz之間分成79個1MHz帶寬的跳頻信道，每個信道分配625μs的時間，稱為時隙，每個時隙用不同的跳頻信號，用偽隨機序列碼來控制，以1600次/秒的速率進行切換，采用分時雙全工（TDD）方式發射與接收，在發射帶寬為1MHz時，有效數據速率為721kbit/s。Bluetooth無線射頻遵循FCC（美國聯邦通信委員會）有關電平為0dBm的ISM頻段標準，空中鏈接范圍可達10m。 Bluetooth基帶鏈路控制器負責處理基帶協議和其他一些低層常規協議，完成基帶以及鏈路的管理和控制，包括物理連接、分組、糾錯、邏輯信道、信道管理與控制、語言編解碼和加密等功能。Bluetooth支持點與點和點與多點的連接，可采用無線方式將各個Bluetooth設備連成一個圍繞個人的微微網（Piconet），一個Piconet最多可以有256 個Bluetooth設備，其中一個主設備和七個從設備，而其他設備則處于待機狀態。幾個Piconet 可以進一步互連形成分散網，一個Piconet 中的主/從設備可以是另一個Piconet 中的主/從設備。Bluetooth基帶控制器提供兩種連接方式，實時的頻載波的射頻頻率，經環路濾波器濾波的調整電壓用來改變VCO-tank的選擇信道。接收平衡/不平衡轉換器是將來自天線不平衡的無線電信號與片內平衡信號之間進行轉換，平衡信號可較好地抑制共模干擾，發送平衡/不平衡轉換器將發送信號從平衡狀態轉換為不平衡狀態，以便天線發射。天線開關同步面向連接（SCO）和非實時的異步無連接（ACL），其中SCO為對稱連接，主要傳送語音或數據等實時性強的信號，必須在規定的時隙傳輸；ACL則以數據為主，可在任意實隙傳送。數據被打包，分組傳輸，在同一個Piconet 中不同的主從對可以使用不同的連接類型；SCO和ACL支持不同類型的數據包，都使用TDD實現雙全工傳輸。基帶控制器提供三種糾錯方法：1/3比例前向糾錯碼FEC、2/3比例前向糾錯碼和數據自動請求重發 ARQ。 Bluetooth的點與點之間的通信連接和數據傳輸是靠各層協議之間的配合與互相解釋來實現的，大部分的Bluetooth協議棧被加載到Flash ROM中。 3 Bluetooth 無線射頻收發器 PH2401的結構特性 PHILSAR公司提供的單片無線收發器PH2401 是短程Bluetooth通信系統的前端，采用砷化鎵工藝制造，具有高集成度、超低功耗、體積小等優點，專門優化用于2.4GHz無線個人系統，完全兼容Bluetooth規范。PH2401采用調制指數為0.3的高斯頻移鍵控（GFSK）調制方式，內部結構由7個操作子塊組成，圖2示出各個子塊之間的互操作性。其中壓控振蕩器VCO-tank產生每一時隙的跳既可以從天線濾波到接收端口的轉換，也可以是從射頻控制部分的輸出端口到天線濾波器的轉換，天線開關的控制由TX-ON端口的設置來完成。 Bluetooth無線射頻收發器采用跳頻/時分雙工的傳輸機制，收發在不同的頻率和不同的時隙中，且留有220μs的收發切換時間。天線濾波器濾除接收模式時的干擾和減少發送模式時的諧波信號。 Bluetooth無線射頻收發器內部最重要的部件是無線電數字信號處理器RDSP，這是利用射頻外差接收的信號處理與控制交換的RDSP，有大量的電路集成在這個處理器內，如雙通道A/D轉換器、數字鎖相與頻率合成器、串行接口、控制邏輯、可跳動的低功耗振蕩器（LPO）、電源復位電路（POR）、分頻電路以及可編程控制邏輯寄存器。其中對指令寄存器IR的讀寫實現跳頻、調諧等功能。而控制寄存器用于動態自動頻率補償（DAFC）來校正接收端的頻率漂移，有兩種控制模式，快模式提供較為粗略的頻率補償，主要用于接入碼；慢模式提供較為精確的補償，用在分組頭和數據負荷中。在無線電數字信號處理器RDSP中還設有接收功率增強度指示（RSSI）寄存器，可在每個時隙測量接收信號的強度并調整前端LNA 的增益，以限制混頻器的輸入信號強度，實現快速自制器與PH2401無線收發器接口，需要發送的數據在鏈路控制器中被裝配，加上同步字、幀頭以及CRC校驗字，并經白化，是否進行加密可由用戶選擇，收到的數據則在此被解碼、檢錯。隊列管理器完成緩沖RAM與鏈路控制器以及USB或串行主機與音頻接口之間的智能DMA傳輸。同時識別不同格式的Bluetooth數據包，并進行相互轉換。動增益控制AGC。 4 Bluetooth基帶控制器MT1020結構特性 MITEL公司提供的MT1020符合Bluetooth基帶功能標準，完成基帶以及鏈路的管理與控制，包括SCO和ACL連接方式、差錯控制、物理層的認證與加密等。MT1020內部時鐘可以低至5MHz，內核供電電壓為2V，硬件解碼、支持DMA傳輸，這些特性使得MT1020具有超低功耗。MT1020由嵌入式微處理器和Bluetooth基帶外設組成（圖 3），其中基帶外設以最小的開銷完成重要的Bluetooth操作，掛在向上集成模塊總線（UIMB）上，由總線接口、鏈路控制器、隊列管理器、緩沖RAM、音頻編解碼器等組成。其中總線接口完成微處理器與基帶外設之間的通信，基帶外設內各個模塊之間使用專門的BT總線傳送數據。鏈路控音頻編解碼器是一個雙全工的編解碼器，具有麥克風和耳機驅動器，其中的數字轉換器能夠進行線性PCM、A律PCM、μ律PCM及連續可變斜率增量調制（CVSDM）之間的相互轉換。基帶控制器MT1020包含一個嵌入式微處理器內核，來實現基帶及鏈路層的功能。嵌入式微處理器由32位RISC架構的ARM7TDMI中央處理單元、專用的模塊交互總線（IMB）和其他一些功能塊組成。 ARM7TDMI是一款性能優異的嵌入式CPU、具有極快的運算速度和很低的功耗，利用其內部的 Thumb指令壓解器可支持16位指令碼，并支持擴展調試、快速乘法等功能、通過模塊交互總線與其他功能塊交換數據。其中外設控制器是MT1020A中內部總線與外部總線進行通信的主要通道，支持動態總線寬度，并能產生訪問外設所需要的控制信號。串行I/O用來連接各種串行接口器件，例如與串行EEPROM、串行時鐘等器件接口。ARM7TDMI處理器接受兩種中斷請求，普通中斷請求和快速中斷請求，根據用戶所需要的優先級，所有中斷都可設置成兩種類型中的一種。中斷控制器能處理8個外部中斷和兩個內部中斷，外部中斷可被編程設置成電平觸發或沿觸發。為減少中斷響應的延遲時間，對每種類型的中斷，中斷控制器能進行硬件優先級判斷，以加快中斷實時響應。 MT1020A提供兩個雙獨立32位定時器/計數器，與系統時鐘同步，可以在程序中輪詢，也可設置成溢出中斷，并能自行重裝。在DMA控制器中有兩個引擎，可以配置成一對，從而支持ARM7TDMI中任意兩個內存塊的DMA傳輸，也可以單獨使用。通用異步收發器接口形式為RS-232，支持硬件握手和XON/XOFF軟件協議，收發通道上各有一個緩沖器，可以在程序中輪詢，也可以使用中斷形式，其內部的波特率發生器用來產生需要的數據速率。系統存儲器掛在UIM總線上，MT1020有20KB的內部靜態RAM，用于程序變量的存儲，用戶需要外接一個外部Flash ROM來存儲Bluetooth鏈路控制和管理協議代碼及應用軟件棧。在MT1020的下一個版本中，將提供片上ROM來存儲用戶代碼，簡化用戶設計、降低功耗。 5 Bluetooth ASIC電路系統的 接口 目前多數Bluetooth應用電路都是三芯片結構：無線射頻收發器ASIC、基帶控制器ASIC和內含Bluetooth軟件棧的程序存儲器Flash ROM。通過內外接口以及UART/PCM和USB與應用設備接口，構成Bluetooth設備。 Bluetooth ASIC電路系統接口如圖4所示，PH2401無線射頻收發器與 MT1020基帶控制器之間經過內部接口，組成Bluetooth模塊。Bluetooth 模塊內部接口過程由串行口、數據口、輸入控制和輸出控制口完成，其中基帶和射頻ASIC之間的通信在串行口（SI）上實現，串行口由控制數據輸入（SI-CDI）、控制模式選擇（SI-CMS）、控制時鐘（SI-CLK）以及控制數據輸出（SI-CDO）等信號組成。基帶控制器通過串行口對無線射頻收發器內部寄存器的讀寫實現跳頻、調諧等控制，控制過程由SI-CLK （4MHz）上升沿時SI-CMS的輸入值來決定，SI-CMS及SI-CDI和SI-CDO的值將在SI-CLK的下降沿變化。指令寄存器（IR）的一個掃描周期在狀態信息下傳時開始，即捕獲IR。串行接口的時序邏輯如圖5所示，串行接口在13MHz的系統時鐘SYS-CLK及POR-EXT為高電平時操作有效。 Bluetooth 模塊與電源控制、晶振、天線以及駐留協議棧的程序存儲器Flash ROM等的外部接口，即可向數據和語音設備提供全兼容的Bluetooth接口。其中Flash ROM采用Intel公司的28F800B3T120，與基帶控制器的接口由地址總線（EXT-AB）、數據總線（EXT-DB）、讀寫以及片選等控制總線（EXT-CB）實現。Bluetooth 模塊通過UART/PCM和USB與應用設備之間進行接口。 6 Bluetooth嵌入式應用設計 由HT1020和PH2401等接口的Bluetooth電路系統提供高至HCI層的功能，向數據和語音設備提供全兼容的Bluetooth接口，因此可以很方便地構成Bluetooth設備。根據Bluetooth規范對無繩電話的協議要求，無繩電話實現協議棧如圖6所示。通過服務發現協議SDP，子機尋找通信范圍內所有Bluetooth設備信息和服務類型，從而與無繩電話主機建立連接。 語音呼叫的控制信令則在二元電話控制協議TCS Binary中定義。邏輯鏈路控制應用協議L2CAP向上層提供面向連接SCO和無連接ACL 的邏輯鏈路，傳輸上層協議數據。語音流不經過邏輯鏈路控制應用協議L2CAP，直接與基帶控制器連接，使用連續可變斜率增益調制CVSD技術，以獲得高質量的音頻編碼。Bluetooth無繩電話子機的基本電路結構如圖7所示，其中MCU不僅完成對鍵盤、顯示器的控制，而且實現TCS Binary、SDP和L2CAP協議，受話器和送話器直接與TM1020基帶控制器連接，系統簡潔、可靠，具有較高的性能價格比。對于不具備主機控制器接口HCI設備的 Bluetooth應用，如無線鼠標、無線耳機，可將Bluetooth上層協議邏輯鏈路控制和適配協議L2CAP 與低層協議共用同一嵌入式處理器核（圖8）直接集成到設備中去。 7 結語 Bluetooth技術作為新型的短距離無線擴頻通信技術，通過把各種語音和數字設備用無線鏈路連接起來，實現個人區域內信息交換與傳輸。 Bluetooth技術使蜂窩電話系統、無繩通信系統、無線局域網和互聯網等現有網絡增添新功能,使各類計算機、傳真機、打印機等設備增添無線傳輸和組網功能，并廣泛應用于家庭和辦公自動化、電子商務、無線公文包和各類數字電子設備等場合。在具體的應用中，Bluetooth技術仍然有大量的技術細節問題需要解決，應時刻關注Bluetooth的最新進展，注意廠商推出的具有系統級應用經驗以及所提供的應用幫助和開發工具。隨著技術的發展和完善，Bluetooth技術必將對人們的生活和工作產生重大影響。 |
