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Bluetooth ASIC及其嵌入式應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2012-11-01 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
1 引言

(藍(lán)牙)作為新的短程無(wú)線電通信技術(shù),可以隨時(shí)隨地用無(wú)線接口來(lái)代替有線電纜連接,可應(yīng)用于多種通信場(chǎng)合,如WAP、GSM、 DECT等完成身份識(shí)別后可以靈活實(shí)現(xiàn)漫游,推動(dòng)和擴(kuò)大了無(wú)線通信的應(yīng)用范圍,使網(wǎng)絡(luò)中的各種數(shù)字和語(yǔ)音設(shè)備互連互通,實(shí)現(xiàn)個(gè)人區(qū)域內(nèi)快速靈便的數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信以及資源共享。技術(shù)在電信、計(jì)算機(jī)、家電等方面有著廣闊的應(yīng)用前景[4] ,計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間通過(guò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)和數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸;打印機(jī)、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)通過(guò)Bluetooth成為無(wú)線的可移動(dòng)外設(shè);各種家電和辦公設(shè)備通過(guò)Bluetooth技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和辦公自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。由Bluetooth 基帶控制器和無(wú)線射頻接收器接口組成Bluetooth模塊,可向數(shù)字和語(yǔ)音設(shè)備提供全兼容的Bluetooth 接口。通過(guò)Bluetooth 模塊的UART/PCM和USB與應(yīng)用設(shè)備的接口,可構(gòu)成Bluetooth 設(shè)備。Bluetooth 模塊功耗低,對(duì)人體危害小,應(yīng)用簡(jiǎn)單,成本低廉,容易實(shí)現(xiàn),易于推廣。

2 Bluetooth系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Bluetooth系統(tǒng)的功能由無(wú)線射頻收發(fā)器、基帶鏈路控制器、鏈路管理與控制以及協(xié)議棧(軟件)等部分組成(圖1),其中無(wú)線射頻收發(fā)器和基帶控制器配合可構(gòu)成完整的低功耗的Bluetooth模塊,提供高至主機(jī)控制器接口(HCI)層的功能。Bluetooth 無(wú)線射頻收發(fā)器完成空中接口的功能,采用跳頻擴(kuò)譜(FHSS)技術(shù),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(gè)1MHz帶寬的跳頻信道,每個(gè)信道分配625μs的時(shí)間,稱為時(shí)隙,每個(gè)時(shí)隙用不同的跳頻信號(hào),用偽隨機(jī)序列碼來(lái)控制,以1600次/秒的速率進(jìn)行切換,采用分時(shí)雙全工(TDD)方式發(fā)射與接收,在發(fā)射帶寬為1MHz時(shí),有效數(shù)據(jù)速率為721kbit/s。Bluetooth無(wú)線射頻遵循FCC(美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì))有關(guān)電平為0dBm的ISM頻段標(biāo)準(zhǔn),空中鏈接范圍可達(dá)10m。


Bluetooth基帶鏈路控制器負(fù)責(zé)處理基帶協(xié)議和其他一些低層常規(guī)協(xié)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(cuò)、邏輯信道、信道管理與控制、語(yǔ)言編解碼和加密等功能。Bluetooth支持點(diǎn)與點(diǎn)和點(diǎn)與多點(diǎn)的連接,可采用無(wú)線方式將各個(gè)Bluetooth設(shè)備連成一個(gè)圍繞個(gè)人的微微網(wǎng)(Piconet),一個(gè)Piconet最多可以有256 個(gè)Bluetooth設(shè)備,其中一個(gè)主設(shè)備和七個(gè)從設(shè)備,而其他設(shè)備則處于待機(jī)狀態(tài)。幾個(gè)Piconet 可以進(jìn)一步互連形成分散網(wǎng),一個(gè)Piconet 中的主/從設(shè)備可以是另一個(gè)Piconet 中的主/從設(shè)備。Bluetooth基帶控制器提供兩種連接方式,實(shí)時(shí)的頻載波的射頻頻率,經(jīng)環(huán)路濾波器濾波的調(diào)整電壓用來(lái)改變VCO-tank的選擇信道。接收平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器是將來(lái)自天線不平衡的無(wú)線電信號(hào)與片內(nèi)平衡信號(hào)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換,平衡信號(hào)可較好地抑制共模干擾,發(fā)送平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器將發(fā)送信號(hào)從平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)換為不平衡狀態(tài),以便天線發(fā)射。天線開(kāi)關(guān)同步面向連接(SCO)和非實(shí)時(shí)的異步無(wú)連接(ACL),其中SCO為對(duì)稱連接,主要傳送語(yǔ)音或數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)性強(qiáng)的信號(hào),必須在規(guī)定的時(shí)隙傳輸;ACL則以數(shù)據(jù)為主,可在任意實(shí)隙傳送。數(shù)據(jù)被打包,分組傳輸,在同一個(gè)Piconet 中不同的主從對(duì)可以使用不同的連接類型;SCO和ACL支持不同類型的數(shù)據(jù)包,都使用TDD實(shí)現(xiàn)雙全工傳輸?;鶐Э刂破魈峁┤N糾錯(cuò)方法:1/3比例前向糾錯(cuò)碼FEC、2/3比例前向糾錯(cuò)碼和數(shù)據(jù)自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā) ARQ。


Bluetooth的點(diǎn)與點(diǎn)之間的通信連接和數(shù)據(jù)傳輸是靠各層協(xié)議之間的配合與互相解釋來(lái)實(shí)現(xiàn)的,大部分的Bluetooth協(xié)議棧被加載到Flash ROM中

3 Bluetooth 無(wú)線射頻收發(fā)器 的結(jié)構(gòu)特性

PHILSAR公司提供的單片無(wú)線收發(fā)器 是短程Bluetooth通信系統(tǒng)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(yōu)點(diǎn),專門(mén)優(yōu)化用于2.4GHz無(wú)線個(gè)人系統(tǒng),完全兼容Bluetooth規(guī)范。采用調(diào)制指數(shù)為0.3的高斯頻移鍵控(GFSK)調(diào)制方式,內(nèi)部結(jié)構(gòu)由7個(gè)操作子塊組成,圖2示出各個(gè)子塊之間的互操作性。其中壓控振蕩器VCO-tank產(chǎn)生每一時(shí)隙的跳既可以從天線濾波到接收端口的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換,天線開(kāi)關(guān)的控制由TX-ON端口的設(shè)置來(lái)完成。

Bluetooth無(wú)線射頻收發(fā)器采用跳頻/時(shí)分雙工的傳輸機(jī)制,收發(fā)在不同的頻率和不同的時(shí)隙中,且留有220μs的收發(fā)切換時(shí)間。天線濾波器濾除接收模式時(shí)的干擾和減少發(fā)送模式時(shí)的諧波信號(hào)。 Bluetooth無(wú)線射頻收發(fā)器內(nèi)部最重要的部件是無(wú)線電數(shù)字信號(hào)處理器RDSP,這是利用射頻外差接收的信號(hào)處理與控制交換的RDSP,有大量的電路集成在這個(gè)處理器內(nèi),如雙通道A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字鎖相與頻率合成器、串行接口、控制邏輯、可跳動(dòng)的低功耗振蕩器(LPO)、電源復(fù)位電路(POR)、分頻電路以及可編程控制邏輯寄存器。其中對(duì)指令寄存器IR的讀寫(xiě)實(shí)現(xiàn)跳頻、調(diào)諧等功能。而控制寄存器用于動(dòng)態(tài)自動(dòng)頻率補(bǔ)償(DAFC)來(lái)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(bǔ)償,主要用于接入碼;慢模式提供較為精確的補(bǔ)償,用在分組頭和數(shù)據(jù)負(fù)荷中。在無(wú)線電數(shù)字信號(hào)處理器RDSP中還設(shè)有接收功率增強(qiáng)度指示(RSSI)寄存器,可在每個(gè)時(shí)隙測(cè)量接收信號(hào)的強(qiáng)度并調(diào)整前端LNA 的增益,以限制混頻器的輸入信號(hào)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)快速自制器與PH2401無(wú)線收發(fā)器接口,需要發(fā)送的數(shù)據(jù)在鏈路控制器中被裝配,加上同步字、幀頭以及CRC校驗(yàn)字,并經(jīng)白化,是否進(jìn)行加密可由用戶選擇,收到的數(shù)據(jù)則在此被解碼、檢錯(cuò)。隊(duì)列管理器完成緩沖RAM與鏈路控制器以及USB或串行主機(jī)與音頻接口之間的智能DMA傳輸。同時(shí)識(shí)別不同格式的Bluetooth數(shù)據(jù)包,并進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。動(dòng)增益控制AGC。

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