Bluetooth ASIC及其嵌入式應(yīng)用
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Bluetooth（藍(lán)牙）作為新的短程無線電通信技術(shù)，可以隨時隨地用無線接口來代替有線電纜連接，可應(yīng)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(xiàn)漫游，推動和擴大了無線通信的應(yīng)用范圍，使網(wǎng)絡(luò)中的各種數(shù)字和語音設(shè)備互連互通，實現(xiàn)個人區(qū)域內(nèi)快速靈便的數(shù)據(jù)和語音通信以及資源共享。Bluetooth技術(shù)在電信、計算機、家電等方面有著廣闊的應(yīng)用前景[4] ，計算機與外設(shè)之間通過Bluetooth技術(shù)實現(xiàn)控制信號和數(shù)據(jù)的無線傳輸；打印機、鍵盤、鼠標(biāo)通過Bluetooth成為無線的可移動外設(shè)；各種家電和辦公設(shè)備通過Bluetooth技術(shù)實現(xiàn)家庭無線網(wǎng)絡(luò)和辦公自動化網(wǎng)絡(luò)。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(shù)字和語音設(shè)備提供全兼容的Bluetooth 接口。通過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，對人體危害小，應(yīng)用簡單，成本低廉，容易實現(xiàn)，易于推廣。
2 Bluetooth系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Bluetooth系統(tǒng)的功能由無線射頻收發(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，提供高至主機控制器接口（HCI）層的功能。Bluetooth 無線射頻收發(fā)器完成空中接口的功能，采用跳頻擴譜（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(jìn)行切換，采用分時雙全工（TDD）方式發(fā)射與接收，在發(fā)射帶寬為1MHz時，有效數(shù)據(jù)速率為721kbit/s。Bluetooth無線射頻遵循FCC（美國聯(lián)邦通信委員會）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。
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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、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(shè)備連成一個圍繞個人的微微網(wǎng)（Piconet），一個Piconet最多可以有256 個Bluetooth設(shè)備，其中一個主設(shè)備和七個從設(shè)備，而其他設(shè)備則處于待機狀態(tài)。幾個Piconet 可以進(jìn)一步互連形成分散網(wǎng)，一個Piconet 中的主/從設(shè)備可以是另一個Piconet 中的主/從設(shè)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(jīng)環(huán)路濾波器濾波的調(diào)整電壓用來改變VCO-tank的選擇信道。接收平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器是將來自天線不平衡的無線電信號與片內(nèi)平衡信號之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，平衡信號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。天線開關(guān)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(shù)據(jù)等實時性強的信號，必須在規(guī)定的時隙傳輸；ACL則以數(shù)據(jù)為主，可在任意實隙傳送。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包，都使用TDD實現(xiàn)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(shù)據(jù)自動請求重發(fā) ARQ。
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Bluetooth的點與點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實現(xiàn)的，大部分的Bluetooth協(xié)議棧被加載到Flash ROM中
3 Bluetooth 無線射頻收發(fā)器 PH2401的結(jié)構(gòu)特性
PHILSAR公司提供的單片無線收發(fā)器PH2401 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，專門優(yōu)化用于2.4GHz無線個人系統(tǒng)，完全兼容Bluetooth規(guī)范。PH2401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(chǎn)生每一時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，天線開關(guān)的控制由TX-ON端口的設(shè)置來完成。
Bluetooth無線射頻收發(fā)器采用跳頻/時分雙工的傳輸機制，收發(fā)在不同的頻率和不同的時隙中，且留有220μs的收發(fā)切換時間。天線濾波器濾除接收模式時的干擾和減少發(fā)送模式時的諧波信號。 Bluetooth無線射頻收發(fā)器內(nèi)部最重要的部件是無線電數(shù)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(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。其中對指令寄存器IR的讀寫實現(xiàn)跳頻、調(diào)諧等功能。而控制寄存器用于動態(tài)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(shù)據(jù)負(fù)荷中。在無線電數(shù)字信號處理器RDSP中還設(shè)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(diào)整前端LNA 的增益，以限制混頻器的輸入信號強度，實現(xiàn)快速自制器與PH2401無線收發(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。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(shù)據(jù)包，并進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。動增益控制AGC。
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