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蓝牙协议分析及其在蓝牙耳机中的应用 评分:

蓝牙协议分析及其在蓝牙耳机中的应用,以及蓝牙通讯机制
西安工程科技学院硕士学位论文 Analysis in Bluetooth protocol and implementation of headset Abstract Bluetooth is a kind of open tachnology for wireless data and voice communication. It ases on low cost short-range radio link, and it can build a special link for fixed and mobile device. With the development of the technology, Bluctooth has wide application foreground, and would has a more effect to our lifc. At the first of, the thesis explains characteristic and application of Bluctooth technology, points out the purpose and significance of developing Bluctooth application Following, based on the SIG Bluetooth specification version1. 1, it analyses the wholesome mework of specification of Bluctooth technology and the contents of the Bluetooth protocol stack, present the overall design to realize Bluctooth-headset. The paper detailedly describes the design and program of software about Bluctooth-headset end and the voice-gateway end, Based on Bluctooth-headset criterion software has the better transplant capability. Finally, the result of debugging and testing of the whole system indicates Bluetooth headset can build a finc voice communication. At the end of the article, luthor summarized the whole work and prospered the foreground the Bluctooth technology. The design is completed on bluetooth development platform and the CSr single-chip platform. The result indicates the design can realize clear voice communication. Furthermore, the framework is universal and can carry on extensive research Name: YU Hong Bo(Control Theory and Control Engineering Direct By: Professor WEI Zhong-yi eywords: Bluetooth, Bluetooth protocol stack, Bluetooth module, Bluetooth-headset I 绪论 绪论 1.1课题的背景及意义 现代通信网络已经十分普及,各种通信设备的连接电缆种类众多,办公室、家 庭居室有着各种各样的电缆,从计算机间的通信电缆,到电视机和影视设备的连接 线,十分繁杂。电缆除了给我们造成诸多使用不便之外,连线常出故障,各种电缆 之间也无法通用。因此,电缆成为现代通信的美中不足。蓝牙技术的出现改观了这 种局面。 蓝牙( Bluetooth是一种低成本、短距离的无线连接技术标准。实际上就是一种 短距离的无线连接技术,它是把一种微型、廉价的通信模块嵌入各类信息设备中 实现这些设备的无线互联,而不用电缆,进行语音、数据无线传输及接入网络。它 采用全世界统一的开放性规范,由爱立信、IBM、英特尔、诺基亚和东芝5家公司共 同倡导的一种全球无线技术标准。已于1999年7月26日推出了蓝牙技术规范1.0版 本。“藍牙”( Bluetooth)一词原是一位在10世纪统一丹麦的国王名字,用它来命名 这种新的技术标准,意义在于统一。所以,他们所成立的蓝牙兴趣集团 Bluetooth SIG采取了无偿向全世界的产业界转让该项专利技术的策略,以实现其全球统一标 准的目标。 蓝牙技术的设计初衷就是将智能移动电话与笔记本电脑、掌上电脑以及各种数 字信息的外部设备用无线方式连接起来,进而形成一种个人网络,使得在其可达到 的范围之内各种信息化的移动便携设备都能无缝的共享资源。蓝牙技术的最终目的 就是要建立一个全球统一的无线连接标准,使得不同厂家生产的数字信息设备在近 距离内不用电缆就可以很方便的连接起来,实现相互操作与数据共享。这种蓝牙无 线连接的方式非常新颖,凡是嵌入蓝牙技术的设备相互之间都能够自动进行联络与 确认,利用相应的控制软件,不需用户于预就可以自动建立连接并传输数据,免去 了用户安装和设置的烦琐工作。所以蓝牙技术是一项前景十分看好的热门技术 项公开的全球统一的技术规范得到了工业界如此广泛的关注和支持是以往所罕见 的。这说明基于此项蓝牙技术的产品将具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。最 近,美国微软公司也不再坚持在一旁观望的态度,正式宣布加盟蓝牙兴趣集团,共 同致力于在全球范围内推广此项无线技术标准,使此项技术的推广普及和发展前景 绪论 更加明朗。与此同时,蓝牙标准的制定工作也抓得很紧。1999年7月份公布了 Bluetooth Specification Version1.0,这是一个可作为蓝牙设备制造依据的标 准,不少厂商已推出了根据该版本及其之后的修改版本10A、1.0B、1.1的蓝牙设 备。蓝牙已成为通信领域目前的一个新热点,极有可能在不远的将来成为小范围无 线多媒体通信的国际标准。目前,菲利浦、三星、索尼等大公司相继推出了嵌入式 蓝牙耳机、移动电话等信息设备。嵌入式蓝牙耳机可以在能保持连接的范围内使 用,而不必和音频设备绑在一起。而且用户可以将同一个耳机用于多种设备,因为 蓝牙规范提供了一个标准的接口,所以用于电话通信的耳机也同样可以用来与固定 的语音接入点和无绳电话进行通信,此外耳机还可以完成与计算机的音频交互。将 来的耳机还可能与立体声音响、便携式CD播放机和录音设备进行通信。蓝牙耳机 允许不同的设备放置在各自方便的地方,移动终端甚至可以放进口袋或公文包里 通过语音识别并利用已经使用的语音技术,将来的蓝牙耳机可以作为实现电话通信 的用户接口。 1.2课题的主要工作 作者在深入分析研究蓝牙通信技术协议规范的基础上,根据蓝牙耳机所要完成的 功能,实现了蓝牙上层协议栈,在耳机和语音网关之间建立蓝牙通信链路并实现高 层的应用。 本文主要做了以下研究: 1.阅读了大量关于蓝牙技术以及关于电路方面的资料,了解目前国际上在此 方面的研究进展,掌握了蓝牙耳机系统的设计思想,分析了其在实现方面的瓶颈; 2.熟悉CSR( Cambridge Silicon Radio)公司的开发平台,以其给出的蓝牙 开发例子为导向深入研究了蓝牙技术的理论知识、蓝牙耳机系统实现方法和流程 3.在熟悉CSR的开发包 Bluelal后,完成代码编写,并在开发板上实现蓝牙耳 机功能。 1.3论文的结构安排 本文的内容分为如下几个部分 第一章为绪论部分,介绍了课题的背景、意义、主要工作和论文的结构安排。 第二章为系统理论基础,详细讨论了蓝牙协议栈中所包含的理论体系,掌握蓝 1绪论 牙协议栈的构成,按照从底层到高层的顺序分层讨论了蓝牙规范的各核心协议。 第三章为系统总体设计和相关协议介绍,提出了系统的总体设计方案,并介绍 蓝牙耳机的硬件系统架构和系统的软件设计。 第四章为蓝牙耳机系统软件实现。描述了本系统通信链路建立的过程,介绍蓝 牙耳机的软件实现,并对编码的实现做了一些说明。 第五章为对蓝牙耳机系统的调试和测试进行了说明。 最后一章为总结与展望。 2蓝牙通信技术协议 2蓝牙通信技术协议 1蓝牙技术筒介 蓝牙( Bluetooth)是一种开放的、低成本、短距高无线连接技术规范的代称, 可用于传送语音和数据。蓝牙技术作为便携式电子设备和固定式电子设备之间替代 电缆连接的短距离无线通信的标准,其主要特点是工作稳定、设备简单、功率低、 对人体危害小。它强调的是全球性的统一运作,工作频率定在2.4GH,这个频段在 工业、科学、医疗方面全世界都共同开放的频段上,传送速率1Mb/s,每个时隙宽 度为625us,采用时分双工(TDD)、GFSK调制方式。蓝牙支持一个异步数据信 道、三个并发的同步语音信道或一个同时传送异步数据和同步话音的信道。每一个 话音信道支持64kb/s的同步语音;异步信道支持的最大速率为72lkb/s的非对称 联接,或者是4326kb/s的对称联接。系统采用跳频技术抵抗信号衰落,使用跳频 和短分组技术减少同频干扰来保证传输的可靠性,采用前向纠错(FEC)技术来减少 远距离传输时的随机噪声影响。 蓝牙网络的基本单元是微微网,它可以同时最多支持8台电子设备,其中发起 通信的那个设备称为主设备,其他设备称为从设备。一组相互独立、以特定的方式 连接在一起的微微网构成分布式网络,各微微网通过使用不同的调频序列来区分。 蓝牙技术支持多种类型的业务,包括语音和数据,为将来的电器设备提供联网和数 据传输的功能,它将使来自各个设备制造商的设备能以同样的“语言”进行交流, 这种“语言”可以认为是一种虚拟的电缆。蓝牙传输的距离一般是10cm到10m,如 果提高功率,可以扩大到100m。 蓝牙技术的一个很大的优势就在于它应用了全球统一的频率设定,消除了“国 界”的障碍,而在蜂窝式移动电话领域,这个障碍已经困扰用户多年。另外,ISM 频段是对所有无线电系统都开放的频段,因此使用其中的某个频段都会遇到不可预 测的干扰源,例如某拦家电、无绳电话、微波炉等,都可能是干扰源。为此蓝牙技 术特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术是把频带分成若于个 跳频信道,在一次连接中,无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道跳到另 一个信道,只有收发双方都按这个规律通信,而其它的干扰源不可能按同样的规律 进行干扰。跳频的瞬时带宽很窄,但通过扩展频谱技术可将这个窄频带成倍的扩展 2蓝牙通信技术协议 成宽频带,使可能的干扰影响变得很小。与其他工作在相同频段的系统相比,蓝牙 跳频更快,数据包更短,这使蓝牙技术系统比其它系统更稳定。 蓝牙技术目前主要以满足美FC要求为目标。对于其他国家的应用,需要做 一些适应性调整。蓝牙1.0规范已公布的主要技术指标和系统参数如表21所示。 表21蓝牙技术指标和系统参数 工作频段 ISM须段:2.402GHz~2480GHz 双工方式 TD时分双工 业务类型 支持电路交换和分组交换 数据速率 1Mb/s 同步倍道速率 64kb/s 功率 Im, 2.5 W, 100m, 跳频频率数 79个频点/MHz 跳频速率 1600次/秒 工作模式 PARK/HOLD/SNIFF 数据连接方式面向连接SC,无连接ACL 纠错方式 1/ 3FEC, 2/3FEC, ARQ 鉴权 采用质询一响应方式 信道加密 采用0位、40位、60位密钥 语音编码方式连续可变斜率调制CsD 通信距高 一般10cm~10m,增加功率可到100 22蓝牙核心体系结构 协议就是设备间交换信息所应遵循的规则。任何类型的网络拓扑,都有一套协 议结构或规则来详细定义消息如何在链路上传输,蓝牙技术标准也不例外。蓝牙协 议的目的就是为了使应用程序能够实现互操作,而且不同的应用程序将使用不同的 协议栈。 整个蓝牙协议体系结构可分为底层硬件模块、中间协议层(软件模块)和高端应 用层三大部分,如图2-1所示,其中链路管理层(LM)、基带层(B)和射频层(RF)属于 蓝牙的硬件模块;中间协议层包括逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)、服务发现协议 (SDP)、串口仿真协议( RFCOM)和电话控制协议(TCS);在蓝牙协议栈的最上部是高 端应用层,也叫可选协议,包括: PPP, TCP/IP、OBE、WAP等,它们对应于各种不 同应用模型。在这些协议层中,基带、LMP、L2CAP、SDP是必不可少的,也是蓝牙协 2蓝牙通信技术协议 议体系结构的核心部分,为了使远程设备上对应的应用程序实现互操作,SIG为蓝牙 应用模型定义了完整的协议栈。 并不是所有的应用程序都利用全部协议。相反,应用程序往往只利用协议栈中 的某些部分,并且,协议栈中的某些附加垂直协议子集恰恰是用于支持主要应用的 服务。蓝牙技术规范的开放性保证了设备制造商可自由的选用其专利协议或常用的 公共协议,以便在蓝牙技术规范基础上开发新的应用 了可] 能以【 VDP ICP 了 〔发魂了 ('sPy 主机厂口 路管物〔 C Beebei) 比 图21蓝牙协议体系 2.3射频 R射频是指介于声音频率与红外线频率之间的电磁波频率,对于无线通信系统 而言,射频部分就是通信系统的“空中接口”,射频层主要是处理空中数据的接收 和发送。 蓝牙的RF通过24GHz无需授权的ISM频段,实现数据位流的过滤和传输,它主要 定义了蓝牙收发器应满足的要求。蓝牙果用时分双工传输方案,使用一个天线利用 不同的时间间隔发送和接收信号,且在发送和接收信息中通过不断改变传输方向来 共用一个信道,实现全双工传输;蓝牙发射功率可分为3个级别:100mW、2.5mW和 1mW。一般采用的发送功率为1m,无线通信距离为10m,数据传输速率达1Mb/s若 采用新的蓝牙2.0标准,发送功率为100m,可使蓝牙的通信距离达100m,数据传输 速率也达到10Mb/s。除此之外,蓝牙标准还对收发过程的射频容限、干扰和带外抑 制等做了详尽的规定,以保证数据传输的安全。下面将简单介绍蓝牙射频的关键技 术—跳频和信道分配。 2蓝牙通信技术协议 231跳频 蓝牙的眺频采用的是一种扩展窄带信号频谱的数字编码技术,通过编码运算增 加了发送比特的数量,扩大了使用的扩展频谱。 跳频是发射机按一个特定的伪随机码序列从一个频率跳到另一个频率,伪随机 序列通过伪随机发生器控制发射机的跳频顺序。只有匹配的接收机知道发射机的跳 频规律,因此只有这个接收机可以正确地接收到的缴据。联邦通信委员会要求跳频 扩频系统每20s中不可以在任一信道停留超过04s,或者在24GH频段每30s不可以 在任一信道停留超过0.4s。在900Mz频段中必须要至少50个信道,在2.4GHz频段中 至少75个信道。这些规定减少了多个跳频发射机使用的区域中频率碰撞的机会。蓝 牙技术标准中规定的速率是在79个频道内,每秒1600跳。 同时,蓝牙以跳频技术作为频率调制手段,如果在一个频道上遇到千扰,就可 以迅速跳到可能没有干扰的另一个频道上工作。如果在一个频道传送的信号因受到 干扰而出现了差错,就可以跳到另一个频道上重发,从而加强了信号的可靠性和安 全性。 232频段和信道安排 在频段和信道分配方面,蓝牙工作在全球通用的2.4CH的ISM频段,虽然这个频 段为全球通用,但实际上采用的频率和带宽在各国有一些差异。目前有两种频段定 义方案。在美国和歇洲以及国内,使用的带宽为83.5MHz,频段为2.400 2.4835GHz,其中分配了79个跳频信道,每个频道为1HZ带宽。为了减少带外的辐 射和干扰,系统留有保护带,对于79个信道系统,还在低端设置了2Mz的保护频 段,高端设置了3.5z的保护频段。在该频段里,以1MHz的带宽为间隔设立了79个 射频跳频点。对于法国、西班牙、日本等少数国家,频段为24465-2.4835GHz,缩 减了带宽,分配23个1Hz带宽跳频信道。具体分配方案如表22所示。 表22蓝牙射频信道分配 地区 频率范围 射频信道 欧洲、美国和中国|2402-2483.5MzF=2402+kMzk=0,1,,78 法国 2446.5-24835MzF=2454+ k MHz k=0,1,…,22 西班牙 2445-2475MHz F=2449+ k MHz k=0,1,…,22 日本 2471-2497MHz F=2473+ K MHz K=0,1,…22

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2013-09-26 上传 大小:1.75MB
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hanzhenxv 顶,很使用资料,谢谢分享!
2014-03-30
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