基于射頻/基帶芯片實現(xiàn)藍牙語音系統(tǒng)的設(shè)計

愛立信（Ericsson）公司推出的藍牙芯片ROK 101 007是一款適合于短距離無線通信的射頻/基帶芯片，集成度高?功耗小，完全兼容藍牙協(xié)議Version 1.1，可嵌入任何需要藍牙功能的設(shè)備中?該芯片包括基帶控制器?無線收發(fā)器?閃存等功能塊，可提供高至HCI（主機控制接口）層的功能?此外，該芯片還提供USB?UART和PCM接口，用于與主機通信;并且支持藍牙語音和數(shù)據(jù)傳輸，輸出功率滿足藍牙二級操作的要求?

1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各功能塊介紹

ROK 101 007包含五個功能塊：無線收發(fā)器（PBA 313 01/2）?基帶控制器?閃存?電源管理模塊?時鐘，如圖1所示?

1.1 無線收發(fā)器PBA 313 01/2

PBA 313 01/2是一個工作在2.4~2.5GHz ISM頻段的短距離微波頻率射頻收發(fā)器，使用GFSK調(diào)制，最大的TX&RX數(shù)據(jù)傳輸率為1Mbit/s?能在可供使用的79個信道（2.402~2.480GHz）之間快速地跳頻（1600個信道/s），通道帶寬是1MHz，頻率偏差在140kHz和175kHz之間?滿足藍牙二級操作，最大輸出功率是4dBm，不需要功率控制?安裝天線之后，傳輸距離可達10m，符合ISM頻段的FCC和ETSI標準?BA 313 01/2以Radio ASIC為基礎(chǔ)，集成了環(huán)路濾波器?壓控振蕩器?天線濾波器?收發(fā)控制器?發(fā)送器和接收器等六個操作部件，如圖1所示?各部件功能如下：

①Radio ASIC完成信號的調(diào)制和解調(diào)?

②環(huán)路濾波器?壓控振蕩器和Radio ASIC構(gòu)成鎖相環(huán)?環(huán)路濾波器濾除Radio ASIC輸出的誤差電壓的高頻成份和噪聲，用以保證環(huán)路所要求的性能，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性?

③收發(fā)控制器協(xié)調(diào)接收器（RX）和發(fā)送器（TX）的工作，用以保證藍牙的全雙工傳輸?

④天線濾波器對射頻信號進行帶通濾波?管腳ANT（T2）是天線接口，應(yīng)連接阻抗為500Ω的天線?

1.2 基帶控制器

基帶控制器是一個基于ARM7-Thumb的功能塊，通過UART或USB接口控制無線收發(fā)器?基帶控制器負責處理底層的鏈路層功能，如調(diào)頻序列的選擇等?

1.3 閃存

閃存以二進制碼的格式存放藍牙固件，可與基帶控制器交換數(shù)據(jù)?地址和控制信號?藍牙固件包括鏈路管理器和主機控制接口（HCI）?

鏈路管理器實現(xiàn)了鏈路管理協(xié)議（LMP），負責處理底層鏈路控制?每個藍牙設(shè)備都可以通過LMP與另一個藍牙設(shè)備的鏈路管理器進行點對點的通信?HCI為主機提供了訪問基帶控制器?鏈路管理器以及硬件狀態(tài)和控制寄存器的命令接口?主機通過HCI驅(qū)動程序提供的一系列命令控制藍牙接口;藍牙固件的HCI收到命令后，會產(chǎn)生事件返回給主機，用來指示接口的狀態(tài)變化?主機和HCI之間共有三類數(shù)據(jù)傳輸：

?HCI命令包 從主機發(fā)往藍牙的HCI?

?HCI事件包 從藍牙的HCI發(fā)往主機?

?HCI數(shù)據(jù)包 既可從主機發(fā)往HCI，也可從HCI發(fā)往主機，包括無連接（ACL）數(shù)據(jù)和同步連接（SCO）數(shù)據(jù)?

HCI傳輸層定義了每一類數(shù)據(jù)如何封裝以及如何通過接口進行復用?ROK 101 007支持兩種HCI傳輸層：UART傳輸層和USB傳輸層?

1.4 電源管理模塊

該模塊提供芯片所需電源?Vcc的典型值是3.3V?

1.5 時鐘

該模塊內(nèi)置頻率為13MHz的時鐘?時鐘由一個晶體振蕩器產(chǎn)生，保證定時的精度在20ppm之內(nèi)?

2 芯片接口和主要管腳介紹

ROK 101 007與主機或其它設(shè)備互聯(lián)時，有三種接口方式（參見圖1）?

2.1 USB接口

ROK 101 007的USB接口符合USB1.1規(guī)范，通過雙向端口D+&D-，數(shù)據(jù)傳輸可達到12Mbps?當使用USB接口與主機通信時，ROK 101 007是一個USB從設(shè)備?與該接口有關(guān)的管腳有：

?D+（B1）&D-（B2） 用于數(shù)據(jù)傳輸?

?Wake up（B4）&Detach（C1） 用于與筆記本電腦互聯(lián)，可用來控制筆記本電腦的狀態(tài)?當主機處于掉電模式時，如果藍牙設(shè)備收到建立連接的請求，Wake up信號就會“喚醒”主機?而主機可通過Detach信號指示自己處于“掛起”模式?

2.2 UART接口

ROK 101 007的UART接口符合工業(yè)標準16C450，支持以下波速率（單位：bits/s）：300，600，900，1200，1800，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200，230400和460800?使用愛立信自定義的一條HCI命令：HCI_Ericsson_Set_Uart_Baud_Rate可改變UART接口的波速率?該接口中有128字節(jié)的先入先出（FIFO）緩沖器? 與該接口有關(guān)的四個管腳為：

?TxD（B5）&RxD（A5） 用于收發(fā)數(shù)據(jù)?

?RTS（A6）&CTS（B6） 用于數(shù)據(jù)流控制?

2.3 PCM語音接口

標準的PCM語音接口采樣速率為8kHz?語音編碼方式可采用CVSD（連續(xù)可變斜率增量調(diào)制）?μ律（8bit）或A律（8bit）?考慮到編碼的健壯性，應(yīng)優(yōu)先選擇CVSD?

與PCM語音接口有關(guān)的管腳信號有：

?CM_SYNC（A3） 設(shè)置PCM數(shù)據(jù)的采樣速率?

?CM_OUT（A2）&PCM_IN？A1 接收或發(fā)送語音編碼信號?這兩個管腳信號的方向通過編程可調(diào)?

3 北京郵電大學無線網(wǎng)絡(luò)實驗室藍牙語音系統(tǒng)簡介

利用ROK 101 007芯片開發(fā)了一套藍牙語音系統(tǒng)，它能使現(xiàn)有的各種通信設(shè)備（手機或固定電話）與藍牙耳機之間進行無線語音傳輸，從而實現(xiàn)藍牙技術(shù)向現(xiàn)有設(shè)備的后向兼容?

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)由藍牙適配器和藍牙耳機兩部分構(gòu)成?藍牙適配器與現(xiàn)有的通信設(shè)備（手機）相連，實現(xiàn)藍牙與手機之間的信號轉(zhuǎn)換;藍牙耳機上有PTT按鈕，用于接聽和掛斷來電?藍牙適配器和藍牙耳機彼此之間可建立藍牙無線鏈路，用于傳輸語音?數(shù)據(jù)或控制信號?

系統(tǒng)工作流程如下：藍牙適配器是主方，上電后進入查詢模式，自動搜索周圍的藍牙設(shè)備（耳機）?如果附近存在藍牙耳機，主方發(fā)起連接請求，與之建立藍牙數(shù)據(jù)連接（ACL連接）?然后主方和從方進入待機模式?當有來電或有電話撥出時，主方通知從方?若從方?jīng)Q定接通通話，則由主方建立主方與從方之間的語音鏈路（SCO連接），并進入通話狀態(tài)?

關(guān)鍵術(shù)語定義：

主方 是指發(fā)起連接的一方（本系統(tǒng)中適配器是主方）;

從方 是指接收連接的一方（本系統(tǒng)中耳機是從方）

ACL 是指異步連接鏈路，用于藍牙數(shù)據(jù)傳輸;

SCO 是指同步連接鏈路，用于藍牙語音傳輸?

3.2 硬件電路

藍牙適配器和耳機的硬件結(jié)構(gòu)基本相同，其電路框圖如圖2所示?

硬件電路主要由三個模塊組成：

單片機控制模塊 包括AT89C4051AT89C4051芯片和信號燈系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的初始化?藍牙通信鏈路建立和監(jiān)測手機來電等功能?單片機通過串口與ROK 101 007連接?

語音模塊 包括MC145483MC145483語音編解碼電路和耳機?麥克語音輸入輸出外圍電路，完成語音的編解碼功能?MC145483是13位線性PCM 編碼解碼濾波器，可完成語音信號的數(shù)字化和重構(gòu)，與ROK 101 007的PCM語音接口連接?

藍牙模塊 包括愛立信點對多點藍牙芯片和倒F天線?芯片實現(xiàn)藍牙通信的核心功能?

3.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用直接對HCI層進行編程?由主機向HCI發(fā)命令，HCI收到命令后，會向下傳遞到LM層，由LM負責鏈路的建立?加密和鑒權(quán);主機接收HCI發(fā)來的事件包，根據(jù)具體的事件采取相應(yīng)的處理?鏈路建立成功后，語音流使用連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（CVSD）技術(shù)，獲得高質(zhì)量的音頻編碼?

軟件流程由四個功能模塊組成，如圖3所示?

初始化模塊：初始化藍牙芯片及各狀態(tài)變量;

事務(wù)調(diào)度模塊：根據(jù)返回的事件狀態(tài)參數(shù)對系統(tǒng)事務(wù)調(diào)度，跳轉(zhuǎn)到返回事件處理模塊中?

藍牙返回事件處理模塊：各個子程分別處理藍牙各個返回事件?

中斷模塊：包括外部中斷模塊和串口中斷模塊?外部中斷模塊判斷手機是否有來電（僅主方需要）;串口中斷模塊負責藍牙數(shù)據(jù)包和事件包的接收和發(fā)送?

3.4 系統(tǒng)特點及使用效果

該語音系統(tǒng)最大的特點是實現(xiàn)了與現(xiàn)有通信設(shè)備的后向兼容?用戶無需更換現(xiàn)有的不具藍牙功能的通信設(shè)備，就可享受到無線通信帶來的便捷?如何使現(xiàn)有設(shè)備與新技術(shù)產(chǎn)品之間保持平滑的過渡或者無縫連接是每個研發(fā)人員在開發(fā)產(chǎn)品時要著重考慮的問題?正是基于以上考慮，才開發(fā)了這套藍牙語音系統(tǒng)，旨在把藍牙產(chǎn)品盡快地推向市場?

經(jīng)試用后，該系統(tǒng)話音清晰穩(wěn)定（可達到市話標準），當有來電或有電話撥出時，主從設(shè)備之間切換迅速，用戶感覺不到明顯的時延差異?該系統(tǒng)性價比高，有很好的市場推廣前景?

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