蓝牙技术的起源特点以和技术优势.docx

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蓝牙技术的起源特点以和技术优势

Bluetooth的过去和未来

摘要本文介绍了蓝牙技术的起源、特点以及技术优势。

分析了蓝牙技术的使用和未来发展，并对基于BRF6100芯片的Bluetooth解决方案的性能和优势进行了探讨。

关键字Bluetooth,射频技术，CMOS，无线上网

一引言

今后，不仅无线上网将成为上网的主要方式，而且人们随身携带的各种便携式设备也将连接成无线网络，给我们提供无比方便。

我们随身携带的便携式设备很多，有移动电话、PDA（个人数字助手）、笔记本电脑、数码相机、便携式游戏机、便携式MP3播放机、手表等等。

最初，人们把笔记本电脑同移动电话有线连接，通过移动电话无线上网。

后来PDA可以同移动电话连接而实现无线上网。

现在正实现以移动电话为中心，各种设备连接成无线网络而实现无线上网。

这样，人们只要把移动电话放在口袋里，笔记本电脑、PDA等便可上网浏览，还可以用于收发电子邮件；收到新的电子邮件时，手表可以边响起歌曲边产生振动进行通知；通过移动电话人们还可以把音乐数据自动下载到MP3播放机上，再通过无线耳机欣赏音乐。

这种把个人携带的设备无线连接成的网络叫做个人局域网（PAN）。

它以移动电话作为信息网关，使各种便携设备之间可以交换内容。

现在这种PAN已不是设想，随着“蓝牙（Bluetooth）”技术的实用，PAN正在变为现实。

1．蓝牙的由来、特点和意义　

蓝牙是由瑞典爱立信等5家公司开展标准化活动而提出的近距离无线（2.4GHz）数据通信技术，现在正进入实用阶段。

----1998年5月，爱立信、IBM、Intel、诺基亚、东芝等5家公司开始进行近距离无线通信技术的标准化活动。

其目标是实现最高数据传输速度1Mb/s（有效传输速度为721kb/s）、最大传输距离达10米，用户不必经过允许便可利用2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频带，在其上设立79个带宽为1MHz的信道，用每秒钟切换1600次的频率、滚齿（hobbing）方式的频谱扩散技术来实现电波的收发。

这也就是蓝牙技术的由来和特点。

使用蓝牙技术进行通信的设备，分为决定频率滚齿模式的“主叫方”和它的通信对手“受取方”。

主叫方可同时和7台受取方通信。

因此可以把主叫方连同7台受取方共8台设备连接成名为Piconet（锯齿网）的子网。

Piconet内的受取方可以同时作为两个以上Piconet的受取方。

----1999年7月，蓝牙公布了正式规格BluetoothVersion1.0。

遵从这一规格的移动电话和笔记本电脑将于1999年底或2000年初上市。

声称要把蓝牙技术产品化的企业正和日俱增，目前蓝牙标准化团体“BluetoothSIG（特别兴趣组合）”的成员企业数已增加到800家以上。

为了使蓝牙得到普及，使用蓝牙技术的厂家关心两个问题，一是使收发设备低价格化，二是国家对可利用频率带宽的规定。

这两个问题是推广蓝牙的关键。

由于采用了低的数据传输速度和传输距离，因此蓝牙相应设备可以实现低价格化、低耗电化。

每个模块刚推出时估计为20～30美元，随着大量生产和采用高频CMOS技术，2001年其价格可降到每个5美元。

关于频率带宽的规定，各国政府也在积极进行放宽对2.4GHz频带使用的限制。

二技术特点

蓝牙是一个开放性的、短距离无线通信技术标准。

它可以用来在较短距离内取代目前多种线缆连接方案，穿透墙壁等障碍，通过统一的短距离无线链路，在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数据通信。

蓝牙技术规范包括协议和使用规范两个部分。

整个蓝牙协议体系结构可分为4层，即核心协议层、线缆替代协议层、电话控制协议层和采纳的其它协议层。

蓝牙涉及一系列软硬件技术、方法和理论，包括无线通信和网络技术，软件工程、软件可靠性理论，协议的正确性验证、形式化描述和一致性和互联测试技术，嵌入式实时操作系统，跨平台开发和用户界面图形化技术，软硬件接口技术以及高集成、低功耗芯片技术。

1.射频技术2.基带3.TDMA结构4.跳频技术5.网络特性6.全球性地址7.协议分层8.安全性。

蓝牙系统一般由天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议栈）单元四个功能单元组成。

1.天线单元2.链路控制（硬件）单元3.链路管理（软件）单元4.软件（协议栈）单元。

蓝牙设备依靠专用的蓝牙微芯片使设备在短距离范围内发送无线电信号，来寻找另一个蓝牙设备。

一旦找到，相互之间便开始通信。

目前，蓝牙的研制者主要寻求其ASIC的解决方案，包括射频和基带部分。

现在已有多种将基带ASIC电路和射频ASIC电路做成一个电路模块的方案，预计很快将会进入批量生产的阶段。

蓝牙系统的通信协议大部分可用软件来实现，加载到FlashRAM中即可进行工作。

三、使用和发展趋势

1）开拓无线连接的新用途：

现在许多手表厂家、游戏厂家都加入了蓝牙SIG，表明了他们都要采用蓝牙技术。

日本卡西欧公司便声称，他们的数码相机、手表等许多产品，今后都将使用蓝牙技术；在第三代移动通信中显身手：

日本将在2001年3月开始第三代移动通信（WCDMA）服务，NTT正在研究在用于这一服务的移动电话中使用蓝牙技术。

1999年5月，在东京举行的“99商品展览会”上，厂家展出了WCDMA移动电话的各种型号样机，其中许多型号的接收部分同手持部分相互分开，人们猜想这也许就是要用于使用蓝牙技术的无线通信。

蓝牙也将用在笔记本电脑上：

综合爱立信、Intel、Dataquest、VLSITechnology等公布的资料，我们预计到2002年时，使用蓝牙技术的移动电话将达到2.5亿台，使用蓝牙技术的PCMCIA卡和Modem等外围设备将达到1.5亿台，使用蓝牙技术的个人机将达到2500万台；半导体厂家加入有利于降价：

除了机器厂家外，半导体厂家也在加入这一领域，这将有助于使收发模块降低价格。

大厂家的加入，将使移动电话采用的LSI实现通用化和单芯片化；加快蓝牙普及的一个重要因素是现在已有的红外通信技术IrDA（红外数据联盟），蓝牙无疑要尽量沿用IrDA的软件资源：

蓝牙SIG已经发表了采用IrDA的对象交换协议（OBEX）。

采用OBEX的使用软件可以不关心机器和方式的不同，因而各种各样的对象都可以进行交换。

现在业界正在讨论蓝牙同IrDA上层协议通用化的问题。

例如当双方对话层协议采用IrDA制定的OBEX时，便可共享同样的使用软件。

此外，在蓝牙的网络层和传输层RFComm也可以使用IrDA的用以转送图像文档的协议IrTranP。

日本卡西欧已在1999年3月于德国举行的“CeBIT’99”展览会上，进行了使用IrTranP转送图像文档的表演，结合使用TrTranP和蓝牙技术，人们便可在移动电话和数码相机之间进行图像文档的转送。

数码相机中的图像经由公共移动电话网送到移动电话上，再通过IrDA在笔记本式机的屏幕上显示出来，整个过程用了40秒，主要时间是用在公共移动电话网上进行数据通信。

这种方法下层分别使用蓝牙和IrDA，上层沿用现有的IrDA协议。

2）蓝牙发展趋势可以概括以下几点：

第一，小型企业吸引资金，投资者寻找有发展前途的小型企业，目的是共同在技术上找到突破点，使价格降下来。

第二，解决蓝牙的互操作性问题，目前的产品一致性测试都已经没问题，但是无法互通，蓝牙只有成为无线通信的世界语才有意义，目前的2164个成员就显得单薄。

第三，对国内的企业来说，关键的是要找到开发使用的目标，有针对地开发出创新的使用产品，避免和国外企业的冲突。

第四，考虑蓝牙和其他技术的共存性，蓝牙只是WPAN中重要的技术，有起局限性，WPAN网的实现需要几种技术的结合完成，大的公司往往不仅参和一个标准、一项技术的开发，比如英特尔，既参加蓝牙，又参加IEEE802，HOMERF等。

第五，从技术上讲，蓝牙要向单芯片方向发展，目前已经有所突破。

第六，蓝牙和其他相同标准的干扰的解决、蓝牙的耗电、蓝牙的体积等等方面有所突破。

我国的产业界和有识之士应当在蓝牙发展中勇当先锋，敢于创新，因为我们经过多年的经济持续稳定地增长，有了相当的物质和人才基础，应该在蓝牙的发展中有所作为。

四基于BRF6100芯片的Bluetooth解决方案

TI公司的BRF6100是形成一个完整的Bluetooth无线通信单位的高度集成了CMOS的Bluetooth解决方案。

这个设计集成了Bluetooth基带，射频，內存和提高性能的处理芯片,降低了成本而且获得最小的板空间。

BRF6100是数字射频的首次迭代,在提供比模拟射频更可观优势的射频技术的革命。

这些包括减少处理变化的磁化系数,增加可测性,改良的效率,低功耗,易和基带和射频的集成,而且最终降低成本。

蓝牙技术硬件实现模式分析

摘要：

介绍了蓝牙技术的体系结构及特点，并结合Transilica公司生产的Onechip蓝牙产品TR0700单芯片，分析了硬件实现模式。

关键词：

蓝牙技术硬件实现链路管理和控制跳频

蓝牙技术是一项新兴的技术。

它的主要目的是在全世界建立一个短距离的无线通信标准。

它使用2.4GHz～2.5GHz的ISM（IndustrionScientifcMedical）频段来传送话音和数据。

运用成熟、实用、先进的无线技术来代替电缆，它提供了低成本、低功耗的无线接口，使所有固定和移动设备通过微微网PAN（PersonalAreaNetwork）连接起来，诸如：

计算机系统、家庭影院系统、无绳电话系统、通信设备等，相互通信，实现资源共享。

蓝牙技术支持多种电子设备之间的短距离无线通信，这种通信不需要任何线缆，亦不需要用户直接手工干涉；每当一个嵌入了蓝牙技术的设备发觉另一同样嵌入蓝牙技术的设备，它们就能自动同步，相互通信，实现资源共享。

1蓝牙的结构体系

蓝牙协议栈的体系结构如图1所示。

它是由底层硬件模块，中间层和高端使用层三大部分组成。

1.1蓝牙的底层模块

底层模块是蓝牙技术的核心模块，所有嵌入蓝牙技术的设备都必须包括底层模块。

它主要由链路管理层LMP（LinkManagerProtocol）、基带层BB（BaseBand）和射频RF（RodioFraquency）组成。

其功能是：

无线连接层（RF）通过2.4GHz无需申请的ISM频段，实现数据流的过滤和传输；它主要定义了工作在此频段的蓝牙接收机应满足的需求；其带层（BB）提供了两种不同的物理链路（同步面向连接路SCOSynchronousConnectionOriented和异步无连接链路ACLAsynchronousConnectionLess），负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输，且对所有类型的数据包提供了不同层次的前向纠错码FEC（FrequencyErrorCorrection）或循环沉余度差错校验CTC（CyclicRedundancyCheck）；LMP层负责两个或多个设备链路的建立和拆除及链路的安全和控制，如鉴权和加密、控制和协商基带包的大小等，它为上层软件模块提供了不同的访问入口；蓝牙主机控制器接口HCI（HostCntrollerInterface）由基带控制器、连接管理器、控制和事件寄存器等组成。

它是蓝牙协议中软硬件之间的接口，提供了一个调用下层BB、LM、状态和控制寄存器等硬件的统一命令，上、下两个模块接口之间的消息和数据的传递必须通过HCI的解释才能进行。

HCI层以上的协议软件实体运行在主机上，而HCI以下的功能由蓝牙设备来完成，二者之间通过传输层进行交互。

1.2中间协议层

中间协议层由逻辑链路控制和适配协议L2CAP（LogicalLinkControlandAdaptationProtocol）、服务发现协议SDP（ServiceDiscoveryProtocol）、串口仿真协议或称线缆替换协议（RFCOM）和二进制电话控制协议TCS（TelephonyControlprotocolSpectocol）组成。

L2CAP是蓝牙协议栈的核心组成部分，也是其它协议实现的基础。

它位于基带之上，向上层提供面向连接和无连接的数据服务。

它主要完成数据的拆装、服务质量控制、协议的复用、分组的分割和重组（SegmentationAndReassembly）及组提取等功能。

L2CAP允许高达64KB的数据分组。

SDP是一个基于客户/服务器结构的协议。

它工作在L2CAP层之上，为上层使用程序提供一种机制来发现可用的服务及其属性，而服务属性包括服务的类型及该服务所需的机制或协议信息。

RFCOMM是一个仿真有线链路的无线数据仿真协议，符合ETSI标准的TS07.10串口仿真协议。

它在蓝牙基带上仿真RS-232的控制和数据信号，为原先使用串行连接的上层业务提供传送能力。

TCS是一个基于ITU-TQ.931建议的采用面向比特的协议，它定义了用于蓝牙设备之间建立语音和数据呼叫的控制信令（CallControlSignalling），并负责处理蓝廾设备组的移动管理过程。

1.3高端使用层

高端使用层位于蓝牙协议栈的最上部分。

一个完整的蓝牙协议栈按其功能又可划分为四层：

核心协议层（BB、LMP、LCAP、SDP）、线缆替换协议层（RFCOMM）、电话控制协议层（TCS-BIN）、选用协议层（PPP、TCP、TP、UDP、OBEX、IrMC、WAP、WAE）。

而高端使用层是由选用协议层组成。

选用协议层中的PPP（Point-to-PointProtocol）是点到点协议，由封装、链路控制协议、网络控制协议组成，定义了串行点到点链路应当如何传输因特网协议数据，它要用于LAN接入、拨号网络及传真等使用规范；TCP/IP（传输控制协议/网络层协议）、UDP（UserDatagramProtocol对象交换协议）是三种已有的协议，它定义了因特网和网络相关的通信及其他类型计算机设备和外围设备之间的通信。

蓝牙采用或共享这些已有的协议去实现和连接因特网的设备通信，这样，既可提高效率，又可在一定程度上保证蓝牙技术和其它通信技术的互操作性；OBEX（ObjectExchangeProtocol）是对象交换协议，它支持设备间的数据交换，采用客户/服务器模式提供和HTTP（超文本传输协议）相同的基本功能。

该协议作为一个开放性标准还定义了可用于交换的电子商务卡、个人日程表、消息和便条等格式；WAP（WirelessApplicationProtocol）是无线使用协议，它的目的是要在数字蜂窝电话和其它小型无线设备上实现因特网业务。

它支持移动电话浏览网页、收取电子邮件和其它基于因特网的协议。

WAE（WirelessApplicationEnvironment）是无线使用环境，它提供用于WAP电话和个人数字助理PDA所需的各种使用软件。

2蓝牙硬件的实现

蓝牙的技术规范除了包括协议部分外还包括蓝牙的使用部分（即使用模型）。

在实现蓝牙的时候，一般是将蓝牙分成两部分来考虑，其一是软件实现部分，它位于HCI的上面，包括蓝牙协议栈上层的L2CAP、RFCOMM、SDP和TCS以及蓝牙的一些使用；其二是硬件实现部分，它位于HCI的下面，亦即上面提到的底层硬件模块，它已在图1中标示出。

下面讨论蓝牙硬件模块的结构和性能。

蓝牙硬件模块由蓝牙协议栈的无线收发器（RF）、其带控制器（BB）和链路管理层（LMP）组成。

目前大多数生产厂家都是利用片上系统技术SOC（System-On-Chip）将这三层功能模块集嵌在同一块芯片上。

图2为单芯片蓝牙硬件模块结构图。

它由微处理器（CPU）、无线收发器（RF）、基带控制器（BB）、静态随机存储器（SRAM）、闪存（Flash程序存储器）、通用异步收发器（UAST）、通用串行接口（USB）、语音编/解码器（CODEC）及蓝牙测试模块组成。

下面分别叙述各部分的组成及功能。

（1）蓝牙基带控制器

蓝牙基带控制器是蓝牙硬件模块的关键模块。

它主要由链路控制序列发生器、可编程程序列发生器、内部语音处理器、共享RAM裁器及定时链管理、加密/解密处理等功能单元组成。

其主要功能：

在微处理器模块控制下，实现蓝牙基带部分的所实时处理功能，包括负责对接收bit流进行符号定时提取的恢复；分组头及净荷的循环沉余度校验（CRC）；分组头及净荷的前向纠错码（FEC）处理和发送处理；加密和解密处理等。

且能提供从基带控制器到其它芯片的接口（诸如数据路径RAM客户接口、微处理器接口、脉码调制接口（PCM）等。

（2）无线收发器模块

无线收发器是蓝牙设备的核心，任何蓝牙设备都要有无线收发器。

它和用于广播的普通无线收发器的不同之处在于体积小、功率小（目前生产的蓝牙无线收发器的最大输出功率只有100mW、2.5mW、1mW三种）。

它由锁相环、发送模块和接收模块等组成。

发送部分包括一个倍频器，且直接使用压控振荡器调制（VCO）；接收部分包括混频器、中频器放大器、鉴频器以及低噪音放大器等。

无线收发器的主要功能是调制/解调、帧定时恢复和跳频功能同时完成发送和接收操作。

发送操作包括载波的产生、载波调制、功率控制及自动增益控制AGC；接收操作包括频率调谐至正确的载波频率及信号强度控制等。

（3）微处理器（CPU）

CPU负责蓝牙比特流调制和解调所的所有比特级处理，且还负责控制收发器和专用的语言编码和解码器。

（4）Flash存储器和SRAM

Flash存储器用于存放基带和链路管理层中的所有软件部分。

SRAM作为CPU的运行空间，在作时把Flash中的软件调用SRAM中。

（5）语音编/解码器CODEC（CoderDecoder）

语音编/解码器CODEC由ADC（数模转换器）、模数转换口（ADC）、数字接口、编码模块等组成。

主要功能：

提供语音编码和解码功能，提供CVSD（ContinuousVariableSlopeDeltaModulation）即连续可变斜率增量调制及对数PCM（PulseCodedModulation）即脉码调制两种编码方式。

（6）蓝牙测试模块

它是由DUT（DeviceUnderTest）即被测试模块和测试设备及计量设备组成。

一般测试设备被测试设备构成一个微微网，测试设备是主节点，DUT是从节点。

测试设备对整个测试过程进行控制，其主要功能提供无线层和基带层的认证和一致性规范，同时还管理产品的生产和售后测试。

（7）UART（UniversalAsynchronousKeceiverTransunitter）通用异步收发器和USB（UniversalSerialBus）通用串行接口。

功能：

提供到HCI（HostConfrollerInterface）即主机控制器接口传输层的物理连接，是高层和物理模块进行通信的通道。

3TR0700单芯片介绍

RT0700单芯片是Transilica公司的蓝牙产品，其结构如图3所示。

它把无线收发器和基带都集成到一块CMOS芯片上，替代传统的串行语音和通用串行接口电缆，为语音和数据业务提供无线连接。

3.1结构及工作原理

RT0700单芯片由收发器、基带、语音编/解码器（CODEC）、带有4个可配置的8bit接口的8051微处理器、两个串行口双高性能的通用异步收发器（UART）、4KB的静态随机存储器（SRAM）、64KB的Flash程序存储器等组成。

收发器由低噪放大器（LNA）、电平控制器（PA）、混频器、鉴频器、控制寄存器、发送滤波器、振荡器等组成。

其工作原理是：

来自接收天线上的信号经低噪放大器（LNA）放大后，送至多级滤波器，多级滤波器具有预选择功能，它把LAN的输出信号限制在2.4GHz的ISM频段内，去除负频率成分，输出适合进行下变频处理的信号。

I、Q混频器把蓝牙频段的信号移频至低中频（IF）传输的调制信号。

复合滤波器负责从下变频信号中滤除无用信号和噪声。

鉴频器使用过采样技术从IF信号中取出蓝牙低调制指数信号；发送器由发送滤波器、频率合成器、功率放大器、振荡器、天线等组成。

其工作原理是：

发送滤波器是一个高斯数字滤波器，它对发送环Tx输入的数据进行数字过滤；振荡器的功能是驱动一个外部的晶体振荡器或者接受一个外部的时钟信号，向频率合成器提供一个低噪声的参考频率。

功率放大器的主要功能是对频率合成器的输出功率放大到1mW左右，且对频率合成器起缓冲作用，减少负载变化对合成器的影响；发送天线：

当使用差分输入的LNA时，它可以是一个低噪声的平衡双极天线；8051微处理器是一个8位的微处理器，它的主要功能是管理和实现蓝牙协议栈。

它具有一增强的指令集、二级数据指针、扩展的SRAM和双UART。

在TR0700中对一些重复性的操作诸如分组的组装和拆解、加密、地址编码/解码、纠错和同步等都由硬件来实现，这样能降低处理器的开销，有效地提高响应性能。

TR0700除了8051微处理器本身所带有的一些特殊功能寄存器（SFR）外，还定义了一些新的特殊功能寄存器（SFR），它还引入了一些特殊的中断，如一个带有特殊保护的外部中断INT3等。

RT0700的基带操作有三种模式可供选择：

数据/地址、端口、测试。

3.2基本功能及使用

TR0700单芯片的基本功能是：

具有10m的传输距离及1Mbps的数据速率；支持79跳系统及支持点到点、点到多点连接，既可以是主节点又可以是从节点；支持GAP、TCS、手机、intercom剖面和串行口等；支持Hold、Sniff和Park功率节省模式；对LC、LM、L2CAP、SDP、RECOMM等蓝牙协议栈能完全实现；对于SCO链路支持HV1、HV2、HV3数据分组；对于ACL分组支持DM1、DM3、DM5、HD1、HD3、HD5和AUX1数据分组；具有用于测试和Flash内存升级的JTAG接口。

TR0700单芯片的主要使用有：

用于电信方面的峰房和无绳电话、调制解调器、手持设备、互联设备、小型监视器；用于计算机方面有键盘、鼠标、控制杆、扫描仪、监视器、打印机、桌面、笔记本计算机等。

用于消费类的PDA、耳机、监视系统、游戏控制器和数字相机等。

蓝牙技术作为一个开放的无线使用标准，能通过无线连接方式将一定范围内的固定或移动设备连接起来，使人们能够更方面更快速地进行语音和数据的交换，这无疑将会成为未来无线通信领域的一个重要的研究方向。

本文所描述的蓝牙技术硬件实现模式分析，只是蓝牙核心技术中的一小部分，随着蓝牙技术的不断完善和产品的成功开发，可以肯定，蓝牙技术将会逐渐进入我们的工作和生活，成为不可缺少的一部分。

蓝牙基带数据传输机理分析

摘要：

对蓝牙协议体系中的基带数据传输机理进行分析，为进一步对蓝牙技术做全面深入的研究和开发使用奠定基础。

在介绍了基本概念的基础上，重点对蓝牙设备连接、数据传输和安全机制等内容做了分析和讨论。

关键词：

蓝牙基带数据传输设备连接

蓝牙（Bluetooth）是一种新型、开放、低成本、短距离的无线连接接技术，可取代短距离的电缆，实现话音和数据的无线传输。

这种有效、廉价的无线连接技术可以方便地将计算机及外设、移动电话、掌上电脑、信息家电等设备连接起来，在它可达到的范围内使各种信息化移动便携设备都能实现无缝资源共享，还可通过无线局域网（WirelessLAN）和Internet连接，实现多媒体信息的无线传输。

蓝牙系统采用分散式（Scatter）结构，设备间以及从方式构成微微网（Piconet），支持点对点和点对多点通信。

它采用GFSK调制，抗干扰性能好，通过快速跳频和短包技术来减少同频干扰，保证传输的可靠性。

使用的频段为无需申请许可的2.4GHz的ISM频段。

蓝牙协议从协议来源大致分为四部分：

核心协议、电缆替代协议（RECOMM）、电路控制协议和选用协议。

其中核心协议是蓝牙专利协议，完全由蓝牙SIG开发，包括基带协议（BB）、连接管理协议（LMP）、逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）以及服务发现协议（SDP）。

蓝牙协议从体