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蓝牙技术基础pdf

发布时间:2019-05-20 16:42 来源:未知 编辑:admin

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  蓝牙技术基础 重庆金瓯科技 1 目 录 第1章 无线.3.1 调制特性 1.3.2 寄生辐射 带内寄生辐射 带外寄生辐射 1.3.3 设备频率容许偏差 1.4 接收机特性 1.4.1 实际灵敏度电平 1.4.2 干扰特性 1.4.3 带外阻塞 1.4.4 交叉调制特性 1.4.5 最大有效电平 1.4.6 寄生辐射 1.4.7 接收机场强指示器(随机值) 1.4.8 干扰信号定义依据 1.5 附录 A 1.5.1 标称测试条件(NTC) 常温 电源 .1 主电源 .2 车载酸性电池电源 .3 其它电源 1.5.2 临界测试条件(ETC) 临界温度 临界电源电压 .1 主电源 .2 车载酸性电源 .3 其它类型电池电源 .4 其它类型电源 蓝牙技术基础 重庆金瓯科技 2 1.6 附录 B 第 2 章 基带规范 2.1 概述 2.2 物理信道 2.2.1 频带及射频(RF)信道 2.2.2 信道定义 2.2.3 时隙 2.2.4 调制与波特率 2.3 物理链接 2.3.1 概要 2.3.2 SCO链接 2.3.3 ACL链接 2.4 分组 2.4.1 一般格式 2.4.2 识别码 识别码类型 报头 同步字 报尾 2.4.3 分组头 AM ―ADDR 类型 流量 ARQN SEQN HEC 2.4.4 分组类 公用分组类 .1 ID 分组 .2 NULL 分组 .3 POLL 分组 .4 FHS 分组 .5 DM1分组 SCO分组 .1 HV1分组 .2 HV2分组 蓝牙技术基础 重庆金瓯科技 3 .3 HV3 分组 .4 DV分组 ACL分组 .1 DM1 分组 .2 DH1 分组 .3 DM3 分组 .4 DH3 分组 .5 DM5 分组 .6 DH5 分组 .7 AUX1 分组 2.4.5 有效信息格式 线.2 2/3比例前向纠错码 2.5.3 ARQ(自动重复请求)方案 无编号的 ARQ 重发过滤 有效信息刷新 考虑多—从单元 广播分组 2.5.4 错误校验 2.6 逻辑信道 2.6.1 LC信道(链接控制) 2.6.2 LM信道(链接管理) 2.6.3 UA/UI信道(用户异步/等时数据) 2.6.4 US信道(用户同步数据) 2.6.5 信道映射 2.7 加噪 2.8 收/发例行测试 2.8.1 TX 例行测试 ACL通信 SCO通信 数据一话音混合通信 默认分组类 2.8.2 RX例行测试 蓝牙技术基础 重庆金瓯科技 4 2.8.3 流控制 收端控制 发端控制 2.8.4 比特流处理 2.9 发 / 收定时 2.9.1 主/从定时同步 2.9.2 联机状态 2.9.3 退出保持模式 2.9.4 唤醒休眠状态 2.9.5 呼叫状态 2.9.6 FHS分组 2.9.7 多一从结构 2.10 信道控制 2.10.1 概述 2.10.2 主-从定义 2.10.3 蓝牙时钟 2.10.4 状态综述 2.10.5 待机状态(STANDBY STATE) 2.10.6 识别过程 概述 呼叫扫描 呼叫 呼叫响应过程 .1 从单元响应 .2 主单元响应 2.10.7 查询过程 概述 查询扫描 查询 查询响应 2.10.8 联机状态 活动模式 呼吸方式 保持模式 休眠模式 .1 信标信道 .2 信标识别期 蓝牙技术基础 重庆金瓯科技 5 .3 休眠从单元的同步 .4 休眠 .5 主激活解除休眠 .6 从激活解除休眠 .7 广播扫描期 轮询(Polling)方式 .1 活动模式下的轮询 .2 休眠模式下的轮询 时隙保留方式 广播方式 2.10.9 散射网 概述 匹克网间通信 主一从切换 2.10.10 能量管理 分组处理 时隙占用 低功耗模式 2.10.11 链接管理 2.11 跳频选择 2.11.1 一般选择方案 2.11.2 选择内核 第一加法操作 XOR操作 排列操作 第二加法操作 寄存器组 2.11.3 控制字 呼叫扫描和查询扫描状态 呼叫状态 呼叫响应 .1 从单元响应 .2 主单元响应 查询状态 查询响应 联机状态 2.12 蓝牙音频 蓝牙技术基础 重庆金瓯科技 6 2.12.1 对数 PCM 编译码器(CODEC) 2.12.2 连续变化斜率增量调制 编译码器 (CVSD CODEC) 2.12.3 错误处理 2.12.4 一般音频要求 2.12.5 信号层 CVSD音频质量 2.13 蓝牙编址 2.13.1 蓝牙设备地址 (BD-ADDR) 2.13.2 识别码 同步字定义 伪随机噪音序列发生器 GIAC和 DIAC的保留地址 2.13.3 活动成员地址 2.13.4 休眠成员地址(PM_ADDR) 2.13.5 接收要求地址(AR_ADDR) 2.14 蓝牙安全性 2.14.1 随机数发生器 2.14.2 字管理 字类 字生成和初始化 .1 生成初始化字 Kinit .2 鉴权 .3 生成单元字 .4 生成组合字 .5 生成加密字 .6 一点多址结构 .7 修改链接字 .8 生成主单元字 2.14.3 加密 加密字长度协调 加密字模式 加密概念 加密算法 .1 密码操作 .2 LFSR 初始化 .3 字流序列 2.14.4 鉴权 蓝牙技术基础 重庆金瓯科技 7 重试 2.14.5 鉴权和字生成函数 鉴权函数E1 函数 Ar和 Ar’ .1 循环计算 .2 替换框“e”和“l” .3 密钥时序安排 鉴权E2密钥生成函数 加密E3密钥生成函数 蓝牙技术基础 重庆金瓯科技 8 第1章 无线. 概述 蓝牙传输设备工作在 2.4GHz ISM (工业、科学、医学)频段,本规 范确立了蓝牙传输设备的专用工作频段范围。 据此而论,蓝牙系统必须符合下述两个必要条件: ● 工作在蓝牙系统中的各无线电设备之间,必须具有兼容性。 ● 应确定系统容量。 蓝牙传输设备应遵循由附录A 及附录B 所阐述的完整操作规范的操作 条件,无线电收、发设备的参数必须按射频(RF )测试标准的所述方法测 试。目前世界上主要采用的是欧洲、日本及北美三种测试标准,这三种测 试标准也仅作为一种参考标准,它们随时根据无线电设备技术的发展而被 修改和完善。 例如:在美国无线电传输设备由美国联邦通信委员会(FCC)来制定其 测试标准,而在欧洲,除西班牙、法国外,其它国家都采用欧洲电信设置 标准(ETSI)。 2. 频段及信道分配 由于蓝牙系统工作在 2.4GHz ISM 频段,而该频段根据有关法规属于 工业、科学、医学等领域的工作频段,所以世界上绝大多数国家将该频段 的带宽定为2400—2483.5GHz , 然而有些国家对该频段作了一些限制。为 满足这些限制,使设备能处于正常工作状态,因而产生了符合自身国情的 各种跳频算法。没有采用这些算法的常规产品在那些有限制的地区是不能 且也不允许工作的。若为满足这些地区的使用而专门生产符合该地区限制 的专用产品,显然是非常不合算的。蓝牙 SIG 推荐的设备可以克服这种不 便,使其设备可在任何不同的地区使用。 这里用一个表格形式来说明世界上几种主要地区频带分配情况。 表 1.1 工作频段 地 区 频 率 范 围 射 频 波 道 美国、欧洲及大部分其它国家① 2400 ∽2.4835 GHz f =2402+ kMHz k=0,,78 西班牙② 2.445 ∽2.475 GHz f=2449+ kMHz k=0,,22 法国③ 2.4465 ∽2.4835 GHz f=2454+ kMHz k=0,,22 注 : ① 日本于 1999 年 10 月初 MPT 公布了将原频段范围扩展为:2.4~2.4835 GHz,并立即生效。然而通过TELEC设备的测试,为完成这种改变还需要有 一段时间,所以预先专门设计的复盖2.471~2.497 GHz跳频算法仍作为一 种选择。 蓝牙技术基础 重庆金瓯科技 9 ② 西班牙提出建议将国家频段范围扩展为 2.403~2.4835 GHz。为达到全 面的一致,蓝牙SIG已与西班牙的相关管理机构接洽,可望在2000年初能 得到结果。 ③蓝牙SIG已与法国的管理机构确立了良好的关系,紧接的就是全面的发展。在 频段分配上,美国、欧洲(西班牙、法国除外)及大多数国家都采用 2.400~ 2.483GHz 标准频段,射频信道为:f=2402+kMHz,k=0,1,2,…78。由于信道 间隔为 1MHz。各国为遵循带外规定,均在低边带和高边带设置了保护带宽。如 表所示: 表 1.2 防护带 地 区 低 边 带 高 边 带 美国 2MHz 3.5MHz 欧洲(除西班牙、法国外) 2MHz 3.5MHz 西班牙 4MHz 26MHz 法国 7.5MHz 7.5MHz 日本 2MHz 2MHz 3. 发射机特性 需要说明的是,当设备与天线模拟器相连时,则对发系统按不同的输 出功率分别进行阐述。在阐述前我们首先假设天线dBi,设 备与天线模拟器的连接为无损耗作为天线参考条件。 由于辐射在测量时对精确度要求的准确性极难得以保证,因此,采用 全等效的天线模拟器来代替整个天线系统。 如果在测试中天线dBi ,则可利用 ETSI 300 328 和 FCC 的第 15 节对其校正。 发射机可按输出功率分为三种类型。 功率分类 1:最大输出功率(Pmax )是:100mW(20dBm)。 一般输出功率是:N/A 。 最小输出功率是:1 mW (0dBm)。 功率控制:Pmin+4 dBm 到 Pmax 。 Pmin 到 Pmax 可选择。 功率分类 2 :最大输出功率(Pmax )是:2.5 mW(4dBm) 。 一般输出功率是:1 mW(0dBm)。 最小输出功率是:0.25Mw(-6dBm) 。 Pmin 到 Pmax 可选择。 功率分类 3 :最大输出功率(Pmax )是:1mW(0dBm)。 一般输出功率是:N/A 。 蓝牙技术基础 重庆金瓯科技 10 最小输出功率是:N/A 。 Pmin 到 Pmax 可选择。 上述所提的最小输出功率是相对于最大功率所言,而且最低功率限制 Pmin-30 dBm 也仅是一个建议,并不需严格遵循这种规定,它可以根据实 际应用的需要而选择。 当发射机输出功率为第一种类型时,则具有功率控制能力。该功能可 控制发射机功率超过 0dBm 的情况,在 0dBm 下时,发射机功率控制是可 选的,为此可获取最佳功率损耗及干扰。功率输出增益控制选择采用了一 种单调序列步进方式(即:线形方式)这种步进增益由两种方式组成,一 种是高步进增益(每步 8 dB),另一种是低步进增益(每步2 dB )。当类型 1 设备是使用最大传输功率(+20dBm )时,在实际使用中一般控制在低于 4dBm 的情况或更小。 具有功率控制功能的发射机,在工作过程中使用 LMP (具体内容见链 接管理协议)来获得最佳输出功率。若发射功率出现波动时,发射机设备 由RISS 测量并回送测试结果。 3.1 调制特性 调制是用 BT=0.5 的 GFSK,调制指数在 0.28~0.35 之间。二进制数 所表示的“1”代表频率正偏差,而“0 ”代表频率负偏差。符号 Timing 表明优于±20ppm 。 对每个传输信道,符合 1010 序列的最小频偏(Fmin ≤{Fmin+,Fmin-} ) 将不小于按 00001111 序列的频偏(fd )的±80%,另外最小频偏将决不会 小于 115KHz 。 理想信号正交于零点时,应是无误差的(正交清晰,无扩散)。本规范 定义了实际信号过零正交时的扩散与理想状况相比其范围(正交模糊度) 小于±1/8。 在此用眼图的形式来描述调制特性。 Ft + fd 理想过零点 Fmin- FF Time 传输频率Ft 蓝牙技术基础 重庆金瓯科技 11 Ft - fd Fmin+ 过零错 图 1.1 眼图 3.2 寄生辐射 带内及带外寄生辐射使用跳频发射机在单频上的跳频来测量。这就是 说在接收时隙和发射时隙之间,频率必须是同步地改变,,从而使收、发信 机始终是同步在同一传输频率上。 3.2.1 带内寄生辐射 在 ISM 带内的发射机将遵循下表所提参数通过频谱框架。 表 1.3 传输频谱框架 频 率 偏 移 传 输 功 率 ±550 KHz -20 dBC │M-N │=2 -20 dBm │M-N │≧3 -40 dBm 频谱必须符合 FCC 的-20dB 带宽精度声明,并将据此精度测量。另外 FCC 规定,在相邻信道上的相邻信道功率不同于两个或两个以上相邻信道 数定义的相邻信道功率。该相邻信道功率定义为在 1MHz 信道内功率测量 的总和。发射机功率以最大保持为 100KHz 带宽来测量。如发射机在 M 信 道上发射,而相邻信道功率在信道 N 上测量。发射机是用发射一个伪随机 数据帧通过测试。 注:若输出功率小于 0dBm,那么无论如何,FCC 的20dB 有关规定将 否定如上所述的绝对相邻信道功率规定。 除允许增加到 3 个 1MHz 宽的频带以外,中心频率是一个 1MHz 的若 干整倍数,而且必须符合-20 dBm 的绝对值。 3.2.2 带外寄生辐射 功率测量以 100 KHz 带宽测量。 其测量数据如下: 表 1.4 带外寄生辐射规格 通 频 带 运 行 模 式 理 想 模 式 30 MHz—1GHz -36 dBm -57 dBm 1 GHz—12.75 GHz -30 dBm -47 dBm 1.8 GHz—1.9 GHz -47 dBm -47 dBm 蓝牙技术基础 重庆金瓯科技 12 5.15 GHz—5.3 GHz -47 dBm -47 dBm 3.3 设备频率容许偏差 发射机初始中心频率精度必须是取自FC 的±75kHz。在任何信息传输 前,初始频率精度作为频率精度标准。但我们需注意,频率漂移规定不包 含在±75KHz 内。 分组里的发射中心频率漂移以下表说明,而不同的分组在基带规范说 明中给出。 表 1.5 分组里的频率漂移 报 文 类 型 频 率 漂 移 单时隙分组 ±25kHz 三时隙分组 ±40kHz 五时隙分组 ±40kHz 最大漂移率※ 400Hz/µs 注:※最大漂移率允许出现在分组的任何位置。 4.接收机特性 为测试误码率性能,接收机设备必须具有“回传”功能,设备回传译 码信息。该功能在测试模式规范里确定。在该节内容中涉及到的参考灵敏 度电平为-70dBm 。 4.1 实际灵敏度电平 实际灵敏度电平以 0.1%固有误码率(BER )输入电平形式定义。蓝 牙技术中的接收机实际灵敏度电平应是-70dBm 或更好。接收机设备必须 达到-70dBm 灵敏度电平,以适应蓝牙技术中在发射机特性内容中所提到 的发射机设备特性。 4.2 干扰特性 同频和 1MHZ 及 2MHZ 的相邻干扰特性是希望信号用 10dB 以上的参 考灵敏度电平来测试,在所有其它频率上,希望信号是一个 3dB 以上的参 考灵敏度电平来测试。干扰信号的频率分布在带外 2400~2497 MHz ,带外 衰减详细说明后面将会描述。干扰信号将被蓝牙调制,调制方法也在后面 叙述。BER ≤10%。信号的干扰比率如下表所示: 表 1.6 干扰特性 要 求 比 率 同频干扰(C/I co-channel) 11 dB 相邻(1 MHz)干扰(C/I 1MHz) 0 dB 相邻(2 MHz )干扰(C/I 2MHz) -30 dB 蓝牙技术基础 重庆金瓯科技 13 相邻(≥3 MHz )干扰(C/I ≧3MHz) -40 dB 图象频率干扰(C/I image) -9 dB 带内图象频率相邻(1 MHz)干扰(C/I image±1MHz) -20 dB 注:上述标准是一个暂定标准,在蓝牙 1.0 版本发布后的 18 个月内上述标准可以 成为正式标准。以蓝牙 1.0 版本发布之日起,经三年的观察期后,标准最终必须达到 完善。在这样的一个观察期间,设备一定需满足+14 dB的同频干扰阻抗、+4 dBACI(@1 MHz)阻抗、-6 dB的图象频率干扰阻抗和-16 dB的ACI带内图象频率干扰阻抗。另外, 暂订标准中所提到的图象干扰频率是指带内图象频率。若该图象频率≠n*1 MHz,那么 图象干扰频率取其最接近的 n*1 MHz 频率,若相邻信道标准可适用于同信道,则标准 的实用性就显得更为宽松一些。 这些规范仅以常温条件测试,同时接收机的使用是加载在单频上。它意指在收— 发信机之间的频率合成器必须改频,但总是回到同频接收。 无线电设备频率不会遇到寄生响应频率。从≥2 MHz 间隔的获取信号中,在频率 里允许有五个寄生响应频率,在这些寄生响应频率上会见到C/I= -17dB的不严格的干 扰标准。 4.3 带外阻塞 带外阻塞是用超过参考灵敏度电平 3dB 的信号来测试。干扰信号将形 成连续的漂移信号,且 BER 将 ≤0.1% 。带外阻塞将满足下述标准。 表 1.7 带外阻塞规格 干扰信号频率 干扰信号功率电平 -10 dB 30MHz~2000 MHz 2000MHz~2399 MHz -27 dB 2498MHz~3000 MHz -27 dB -10 dB 3000MHz~12.75 GHz 除 24 信道被允许作为给定的接收频率之外,若中心频率都取 1MHz 的整倍数,在产生寄生响应频率的19信道,干扰可能是BER 为0.1% 的 -50 dB 的功率电平。余下其间的产生寄生响应频率的 5 个信道,功率电平是随 机的。 4.4 交叉调制特性 在 BER=0.1%时,频率灵敏度会以如下所述情况出现: ● 用超过参考灵敏度电平 6 dBm 的功率电平有效信号频率 f0 处。 ● 静态正弦波信号在功率电平为 -39 dBm 的 f1 处。 ● 蓝牙调制信号(见后述)在功率电平为 -39 dBm 的 f2 处。 这样 f0=2 f1-f2 及 f2 – f1 = n * 1MHz ,此处 n 取值可为 3、4 或 5,且 蓝牙系统必须满足三个选择条件之一。 蓝牙技术基础 重庆金瓯科技 14 4.5 最大有效电平 接收机最大有效输入电平以优于 -20dBm 运行。 BER 的值将小于或 等于 -20dBm 输入功率的 0.1%。 4.6 寄生辐射 蓝牙接收机的寄生辐射不会多于下述描述: 表 1.8 带外寄生辐射 频 带 规格 30MHz~1GHz -57 dBm 1GHz~12.75GHz -47 dBm 被测功率以 100KHz 带宽测试。 4.7 接收机场强指示( 随机值 ) 作为功率控制连接的收发信机必须可以测量它自身接收信号强度来确 认连接在另一端发射机输出功率的增加或减少,该功能由接收机场强 (RSSI )来实现。 功率控制的方法以最佳的接收功率为规定标准。该最佳接收功率用一 个低限和一个高限区域来表示。RSSI 必须有一个等于该区域最小变化范 围。当接收信号功率是 -20dBm 时,RSSI 必须有一个±4dBm 或更好的绝 对精度值。另外起始于-60 dB 向上20 ±6dBm 的最小区域必须被复盖。 高限 20 ±6dB ―60dBm ±4 低限 图 1.2 RSSI 动态区域和精度 4.8 干扰信号定义基准 蓝牙调制干扰信号作如下定义: 调制:GFSK 。 调制指数:0.32 ±1%。 BT :0.5 ±1%。 比特率:1Mbps±1ppm。 调制数据:PRBS9 。 频率精度优于±1ppm。 5.1 标称测试条件(NTC ) 蓝牙技术基础 重庆金瓯科技 15 5.1.1 常温 测试的常温一般选择为 +15℃ 到 +35℃。当用该条件测试的结果来说 明其真实性是不实际时,所以被测设备的环境温度一定要标注。同时在测 试过程中的实测数据应在测试报告中记录。 5.1.2 电源 主电源 作为与主体设备相连的标称测试电源应是主电源。标称电压应是明确 给出或在设计设备时用能够明确表明电压的任何其它形式标明。测试电压 的频率应符合主体交流电源的标称频率 2% 内的规定。 车载酸性电池电源 当无线电设备准备用车载酸性电池或交流电机作为设备运行电源时, 标称测试电压应是电池(6V ,12V 等)的标称电压的 1.1 倍。 其它电源 对其它电源或电池类作为设备运行电源时,标称测试电压应在设备详 细说明书中标出来,并在测试报告中记录。 5.2 临界测试条件(ETC) 5.2.1 临界温度 临界温度区域经组合以最大温度区域来确定。 ● 最小温度区间 0℃+35℃。 ● 在设备产品说明书中应提供产品工作温度范围。 临界温度区域范围和工作温度范围的说明应在测试报告中注明。 5.2.2 临界电源电压 当电源以这种临界工作条件作为设计指标时,其目的是考虑把这种电 源产品作为其它设备或系统的工作电源而运行。而下面所述的临界电源测 试指标并不作为一个必要要求,它只说明在这种特殊要求的环境下,主设 备或主系统的限压条件将起作用。正确的限压范围由制造厂商提供并应在 测试报告中有记录。 主电源 连接到交流电源的设备做临界电压测试时,其临界电压应是标称电压 ±10%偏差。 车载酸性电源 当无线电设备用车载酸性电池或交流电机作为设备运行主电源时,临 界测试电压是电池(6V,12V 等)的标称电压的 1.3 和 0.9 倍。 其它类型电池电源 使用下述类型电池作为设备的电源系统时,其低端临界测试电压是: ● 作为碱性或锂类电池其标称电压是0.85 倍。 蓝牙技术基础 重庆金瓯科技 16 ● 作为汞或镍-镉类电池其标称电压是 0.9 倍。 上述两类电池的高端临界测试电压是电池的标称电压的 1.15 倍。 其它类型电源 使用其它类或适应各类电源(一次或二次)的设备,标称测试电压应 在技术说明书中给出或在测试报告中有记录。 5. 附录 B 下表中设备参数应据表中所提条件测试。 表 1.9 参 数 温度 电源 输出功率 ETC ETC 功率控制 NTC NTC 调制指数 ETC ETC 初始载频精度 ETC ETC 载频漂移 ETC ETC 带内寄生辐射 ETC ETC 带外寄生辐射 ETC ETC 灵敏度 ETC ETC 干扰特性 NTC NTC 交叉调制特性 NTC NTC 带外阻塞 NTC NTC 最大可用电平 NTC NTC 接收机场强 NTC NTC 注:表中ETC为临界测试条件,NTC为标称测试条件。 重庆金瓯科技 1 第 2 章 基带规范 本节描述蓝牙链路控制器的一些技术框架。蓝牙链接控制器应遵循基 带协议和一些其它低层链接规定。 1. 概述 蓝牙技术是以近距离无线连接为基础,而欲代替使用电缆连接的固定 或移动的电子设备。该技术的使用,使系统具有操作简单、功耗低、价格 低等特点。 蓝牙工作在全球通用的 2.4MHz 的ISM 频段,收发信机采用跳频技术 来达到抗干扰和抑制信号衰减作用,利用二进制调频(FM )模式使收、发 信机的复杂性得以简化。符号速率为 1MS/S 。 信道时隙以 625µs 的标称时 隙长度作为应用标准。由于蓝牙系统采用了全双工分时(TDD )传输信息 技术,所以在信道里,信息以分组结构的方式进行信息交换。在传输过程 中,各信息分组用不同的跳频算法实现信息传输。理论上讲,一个分组复 盖一个单时隙,实际上一个分组可扩展复盖 5 个时隙。 蓝牙协议使用了电路和分组切换的组合方式,时隙可以作为同步分组 保留。同时,蓝牙也能支持一个异步数据信道乃至三个同步话音传输信道 或同时支持异步数据信息和同步话音信道。 每个线Kb/s 同步话音信道连接。异步信道最大可不对 称地支持 723.2kb/s(且回程为 57.6kb/s)或对称地支持 433.9kb/s。 蓝牙系统由无线电设备部分(见前述的无线电设备内容)、链接控制部 分、链接管理支持部分和主终端接口功能组成。其结构图如下表示: 2 .4GHZ 蓝牙链路控 蓝牙链路管 蓝牙无线 主终端 制器 理、接口 电设备 图 2.1 该节内容描述的是执行基带协议和其它低层链接规定的蓝牙控制目的 的详细说明。作为链接设立及控制的链接层信息在后面的链接管理协议中 章节再详细介绍。 蓝牙系统提供点对点连接方式(即:蓝牙中仅有两点)或一点多址连 接方式,其连接方式如图所示: ● ―――→〇 点到点连接方式 ●———→〇 ——→〇 一点多址连接方式 重庆金瓯科技 2 ———→〇 图 2.2 其中:“●”代表主单元,“〇”代表从单元。 在一点多址连接方式中,信道是分在几个蓝牙单元中。分在同一信道 中的两个或两个以上的单元形成一个匹克网(Piconet)。一个蓝牙单元作 为匹克网的主单元,其余的可作为从单元看待。在一个匹克网中最多可有 七个活动从单元。另外,更多的从单元被锁定在休眠状态中。这些处于休 眠状态的从单元在该信道中不能被激活,但对主单元来讲它们仍由主单元 同步。无论对激活或休眠状态来讲,信道访问都由主单元控制。 具有重叠复盖域的多匹克网形成一个散射网络(Scatternet)结构。每 个匹克网只能具有一个单独主单元,然而从单元可分享基于时分多址的不 同匹克网。另外,在一个匹克网中主单元可视为另一个匹克网的从单元。 且各匹克网间不再是以时间或频率同步,各匹克网有自己的跳频信道。 ● 〇 ● 〇 〇 〇 〇 ● ● 图 2.3 散射网络结构 1. 物理信道 2.1 频带及射频(RF )信道 蓝牙技术工作在 2.4 MHz 的ISM 频段。虽然该频段为全球通用,但实 际上准确的频率和带宽在各国有一些差异。在美国和欧洲,使用的带宽为 83.5 MHz ,在该频段里,以 1 MHz 的带宽为间隔设立了 79 个射频跳频 点。在日本、西班牙和法国,缩减了带宽,在该频段里设立的 23 个射频 跳频点,其带宽仍以 1 MHz 为间隔。在这里可以用一个表格形式来说明: 表 2.1 可用射频信道 地 区 频 率 范 围 射 频 信 道 欧洲及美国 2400~248.5 MHz F=2402+k MHz K=0 ,1……78 日 本 2471~2497 MHz F=2473+kMHz K=0 ,1……22 重庆金瓯科技 3 西 班 牙 2445~2475 MHz F=2449+kMHz K=0 ,1……22 法 国 2446.5~2483.5 MHz F=2454+k MHz K=0 ,1……22 2.2 信道定义 信道使用一组伪随机跳频序列经 79 或 23 个射频跳频点跳频来表示。 跳频序列对匹克网是唯一的,而且由蓝牙主单元的设备编址来确立,跳频 序列的相位由蓝牙主单元的时钟确定。信道被分成时隙(时间片)的形式, 且每个时隙符合 RF 跳频,跳频序列符合不同的射频跳频模式,最大跳频 速率是 1600 跳/s,在匹克网中的全部蓝牙单元同时且同步跳入一个信道。 2.3 时隙 每个信道被分成长度为 625µs的时隙,时隙据蓝牙匹克网中主单元的 时钟来编号。时隙编号区域从 0~227-1 且循环周期是 227 ,在这个时隙里, 主和从单元都能传输分组。 由于蓝牙系统中主─从单元的分组传输采用是分时双工(TDD )交替 传输方式,所以在系统中主单元都是采用偶数编号时隙来实现信息传输, 而从单元却采用奇数编号时隙来实现信息传输。分组的起始位置与时隙起 始点相吻合。由主或从单元完成的分组传输可以扩展到 5 个时隙,TDD 和 定时工作方式如图所示: 主单元传输分组时序图 f(k) f(k+1) f(k+2) f (k) f(k+1) f(K+2) 625µs 从单元传输分组时序图 图 2.4 射频(RF )跳频将以分组的持续时间作为一个固定时间值。对单时隙 分组来讲 RF 跳频以当前蓝牙时钟值作为基点。对于多时隙分组来讲,RF 跳频以蓝牙中第一个分组时隙里的时钟值作为整个分组基点。在多时隙分 组的第一个时隙里的 RF 跳频将被认为由当前蓝牙时钟值确定的频率。下 图举例说明了单时隙分组和多时隙分组的跳频定义。若分组占有多于一个 的时隙时,跳频就是用于以开始分组传输的起始点来作为时隙的跳频。 重庆金瓯科技 4 625µs f(k) f(k+1) f(k+2) f(k+3) f(k+4) f(k+5) f(k+6) f(k) f(k+3) f(k+4) f(k+5) f(k+6) f(k) f(k+5) f(k+6) 图2.5 多时隙分组 2.4 调制与比特率 数据传输是以 1MS/s 的符号率进行传输。高斯型二进制 FSK 模式用 于 0.5 的蓝牙产品。二进制“1”代表正频偏,二进制“0 ”代表负频偏, 最大频偏是在 140 KHz 到 175 KHz 之间。 3. 物理链接 3.1 概要 在主单元和从单元之间,可以确定不同的类型链接关系。如下定义了 两种链接类: ● 同步定向链接(SCO)。 ● 异步无链接(ACL )。 同步定向链接(SCO)是在匹克网中主单元和从单元之间实现点到点 链接。主单元通过有规律的使用保留时隙来维持 SCO 链接。而 ACL 链接 是主单元与共存于匹克网中的所有从单元之间实现一点多址的连接方式。 在这种连接方式中,主单元并不以时隙来保留 SCO 链接,主单元在每个时 隙基上建立对任何其它从单元的ACL 链接。其中包括已预定用 SCO 链接 方式中的从单元。 a) SCO 链接 SCO 链接是在主单元与指定的从单元之间实现点到点的同步连接。 SCO 链接方式采用保留时隙来传输分组,因此该方式可看作是在主单元和 从单元之间实现电路交换连接。SCO 链接主要用于支持类似于象话音这类 重庆金瓯科技 5 时限信息。从主单元方面看,它可以支持多达 3 路的相同从单元或不同从 单元的 SCO 链接。而从从单元方面看,针对同一主单元它可以支持多达 3 路的 SCO 链接。若链接来源于不同主单元,此时从单元只能支持 2 路 SCO 链接,在此种情况下决不能再传输 SCO 分组。 主单元以有规律的时间间隔来发送分组,所以在保留的主―从时隙里, 称到从单元的 SCO 间隔为 Tsco(记数时隙)。在主―从时隙里 SCO 从单 元总是允许响应 SCO 分组传输。但若先前的主―从时隙是使用不同的编 址,此时这种传输是不能使用。如果在分组头里,SCO 从单元对从单元的 编址码有解码错,在保留的 SCO 时隙里它仍允许返回一个 SCO 分组。 SCO 链接由主单元发送 SCO 建立消息,经链接管理(LM )协议来确 立。该消息分组含定时参数(如 SCO 间隔Tsco 和规定保留时隙补偿 Dsco) 等。 为防止时钟隐藏问题,在LMP 中设置信息的初始化标志应指出是初始 化方式 1 或是初始化方式 2 被采用,从单元将通过初始化标志指示采用的 初始化模式。若当前主时钟(CLK27 )的MSB是 0 时,主单元使用初始化 模式 1。当前主时钟(CLK27 )的MSB是 1 时,主单元使用初始化模式 2 。 由主从保留的主―从SCO时隙取决于满足下述等式的时隙上被初始化。 CLK27 ―1 mod Tsco Dsco。 初 始化方式 1 (CLK27 ―1 ,CLK26―1 )mod Tsco Dsco。 初 始化方式 2 主―从 SCO 时隙直接跟随保留主―从 SCO 时隙。在初始化后,作为 下一个主―从 SCO 时隙的时钟值 CLK (K+1 ),是通过加固定间隔 Tsco 到当前主―从 SCO 时隙的时钟值来建立。 CLK (K+1 )=CLK (K )+ Tsco。 1.3 ACL 链接 在 SCO 链接不保留的时隙里,主单元可以与任何属于每个时隙基里的 从单元进行分组交换。ACL 链接提供在主单元与所有在匹克网中活动从单 元的分组交换链接,异步和等时两种服务方式均可采用。在主―从之间, 若仅是单个 ACL 链接存在时,对大多数 ACL 分组来说,分组重传是为确 保数据的完整性而设立。 在从―主时隙里,当且仅当先前的主―从时隙已被编址,则从单元允 许返回一个 ACL 分组。如果在分组头的从单元地址解码失败,它就不允许 传输。 重庆金瓯科技 6 ACL 分组未编址作为广播分组的指定从单元且各从单元可读分组。如 果在 ACL 链接上没有传输数据及没有轮询申请,那么在 ACL 链接上就不 存在发生传输过程。 2. 分组 3.1 一般格式 当在基带里作分组和消息的详细说明时,位排序必须遵循下列规则 (即:Little Endian 格式)。 ● b0 代表最低有效位(LSB )。 ● LSB 是第一个发送位。 ● 在例中LSB 被放在左边位置上。 基带控制器认为来自高层软件层中的第一位是b0 。即:这是经无线发 送的第一位。而且,数据帧在基带电平内产生。如头帧信息和有效信息头 长度信息,用LSB先发送。例如:X=3 的 3 位参数,其传输码值是b b b 0 1 2 =110 ,数位“1”首先经空中发送,最后才是数位“0 ”。 在匹克网信道上的数据以分组形式传输,一般格式如下: LSB 72 54 0-2745 MSB 识 别 码 头 有 效 信 息 图2.6 标准分组格式 每个分组由三个实体组成:识别码、头和有效信息,在格式中每个实 体的位数也给出。 识别码和头是一个固定值,分别用 72 位和 54 位表示,有效信息可表 范围从 0 到最大为 2745 位。分组也具有几种不同的类型格式。如:分组可 仅由识别码组成( 压缩格式,该方式参看本书中有关 ID 分组的内容 ), 也可以是用识别码和头组成的分组,或“识别码―头―有效信息分组”。 4.2 识别码 每个分组都是用识别码作开始表示,若头信息紧随其后,则识别码长 度是 72 位,否则识别码长度是 68 位。这种识别码主要用于同步、DC 补 偿平衡和识别。识别码识别所有在匹克网的信道上的交换分组。在同匹克 网中发送的所有分组优先相同信道识别码。在蓝牙系统接收机里,滑动相 关器关联于识别码,且当超过门限电平时被激发,该激发信号被用于确定 接收定时。 识别码也被用于呼出和查询过程。在这种情况下,识别码自身就被当 作一个信令消息,且既不是头也不是有效信息的表示。 识别码由头、同步字或许有尾组成。如图所示: 重庆金瓯科技 7 LSB 4 64 4 MSB 头 同 步 字 尾 图2.7 识别码格式 4.2.1 识别码类型 这儿描述了三种不同类型的识别码: ● 信道识别码(CAC )。 ● 设备识别码(DAC )。 ● 查询识别码(IAC )。 各识别码类型用在蓝牙系统中不同的操作模式中。信道识别码定义了 一个匹克网。该代码包含在匹克网信道上的所有交换分组中。设备识别码 用作一个特定的信令过程,如呼出或呼出响应。查询识别码有两个变量: 一个称为一般查询识别码(GIAC ),该查询码为所有设备公用,GIAC可用 来检测在指定范围内有否其它蓝牙单元。另一个称为专用查询识别码 (DIAC ),该查询识别码为在蓝牙系统中具有公共属性的专用设备组使用, DIAC可以用于发现在该范围里的这些专用蓝牙单元。CAC 由头、同步字和 尾组成,而且它的整个长度是 72 位。当CAC是当作没有头的自包含消息 使用时,则DAC和IAC就不能包含有尾且长度值是 68 位。不同识别码类型 用了不同的低地址部分(LAPS )来创建同步字,关于基带(BD )地址的 LAP字段问题参看蓝牙设备的编址部分内容,这儿仅是列出了不同识别码 类的概要。 表 2.2 识别码类小结 代码类 LAP 代码长度 注释 CAC 主单元 72 DAC 呼入单元 68/72* 具体内容见 识别码部分 CIAC 保留 68/72* DIAC 专用 68/72* 注: “*”注释长度为72,只能配合用于FHS 分组。 4.2.2 头 头是一个方便用于DC 补偿的固定0 ―1 四位符号模式。该序列或是1010 或是 0101,取决于下述同步字的LSB 分别是 1 或 0 。头表述格式如下: LSB MSB LSB LSB MSB LSB 重庆金瓯科技 8 1 0 1 0 1┄┄ 0 1 0 1 0┄┄ 同步字头 同步字头 图 2.8 4.2.3 同步字 同步字是一个来自于24 位地址(LAP )的 64 位代码字;对于CAC使 用主单元的LAP ,对于GIAC和DIAC 、保留字、使用专用LAP ;对于DAC 使用从单元的LAP 。基于不同的LAPS 在同步字之间建立一个足够大的海 明空间。另外,一个较好的同步字自相关特性可以改善定时同步过程。同 步字的推论参见识别码的内容。 4.2.4 尾 尾同下面的识别码的数据头一样是一个附加的同步字,这是一种使用 CAC 的典型情况。但是尾也被用在DAC 和 IAC 的情形中。此时这些代码 用于在呼叫响应和查询响应过程中的 FHS 分组交换。 尾也是一个四个字符的固定模式。尾与同步字的三位MSBS一起形成一 个用于扩展DC补偿的 0,1 交替的 7 位模式,尾序列究竟是 1010 或是 0101 取决于同步字的MSB分别是 0 或 1。尾选择如图所示: MSB LSB MSB MSB LSB MSB ┄ 0 1 0 1 0 ┄1 0 1 0 1 (A ) ( B ) 图2.9 其中(A )代表当同步字MSB 是“0 ”时,CAC 中的尾;(B )代表当 同步字MSB 是“1”时,CAC 中的尾。 4.2 分组头 头包含链接控制(LC )信息并由六个字段组成。 ● AM_ADDR 3 位:活动成员地址。 ● TYPE 4 位:类型码。 ● FLOW 1 位:流控制。 ● ARQN 1 位:确认指示。 ● SEQN 1 位:序列号。 ● HEC 8 位:头错误校验。 包含 HEC 的整个头信息由 18 位组成,且该头信息以 1/3 比例前向纠 错码编码(有关内容详见本书的纠错部分),导致头信息为 54 位编码格式。 但要注意,AM_ADDR 和 TYPE 信息字段使用它们自身的 LSB 首先被发 送。头其它不同字段的功能稍后再逐一解释,其头信息的格式安排如下: 重庆金瓯科技 9 LSB 3 4 1 1 1 8 MSB AM-ADDR TYPE FLOW ARQN SEQN HEC 图2.10 头格式 4.3.1 AM _ADDR AM_ADDR 代表成员地址而且用来区分在匹克网上的不同的活动成 员。在匹克网中有一个或多个从单元与主单元相连,为分别识别每个从单 元,所以各个从单元在它们处于活动状态时都分配一个临时 3 位地址值。 在主单元和从单元之间进行分组交换时,每个从单元都带有自身的 AM_ADDR 信息。即:在主―从分组和从―主分组里都要使用从单元的 AM_ADDR 。 若主―从之间采用广播分组方式,那么保留所有的“全 0 ”地址。但 FHS 分组格式除外,在 FHS 分组格式中可以使用“全 0 ”成员地址,但它 不是广播消息。从单元可以是处于脱离链接或暂时放弃它们的 AM_ADDR 状态,但当它们重新进入匹克网时,则必须重新分配新的 AM_ADDR 。 4.3.1 类型 分组可以有 16 种不同类型。4 位类型码正好指出了这十六种不同类型 结构。特别值得注意的是,类型码的解释取决于与分组相关的物理链接类 型。首先它需要确认分组是以 SCO 链接或是以 ACL 链接发送,其次它还 需要确认是以 SCO 分组或以 ACL 分组接收。同时类型码也展现了当前分 组将有多少个时隙出现,这种方法使没有编址的接收设备不能在时隙的持 续期间从传输信道里监听传输信息。有关各类分组的描述可见本书的有关 章节内容。 4.3.1 流量 该位被用于额外 ACL 链接分组的流量控制。当以 ACL 方式链接,其 接收器的 RX 缓冲区已满或 RX 正处于忙碌状态时,停止(STOP)指示 (FLOW=0 )将返回暂时停止数据的传输。注意,STOP 信号只涉及到 ACL 分组,分组包含链接控制信息(ID ,POLL 和 NULL 分组)或仍可以接收 的 SCO 分组。当 RX 缓冲区为空时,则继续(GO )指示信息(FLOW=1 ) 将返回。当没有分组可以接收或接收头信息有错,则 GO 将以隐含的方式 指示出来。 4.3.1 ARQN 普遍使用 1 位 ARQN 指示来表明使用 CRC 的有效载荷的正确传输。 该确认指示可以是一个以ACK 表示的有效确认或是一个以NAK 表示的无 重庆金瓯科技 10 效确认。若接收是成功的,则 ACK (ARQN=1 )返回,否则NAK (ARQN=0 ) 返回。当没有接收到涉及确认返回信息时,系统将以 NAK 形式隐含指示 出来,实际上我们可将NAK 看作是默认返回的信息。 ARQN 在返回分组头信息里稍带确认。接收正确的校验由循环冗余校 验(CRC )码来校验。使用未编码的ARQ 方式意指 ARQN 与来自同一源 的最后接收到的分组有关。关于如何初始化和正确使用该信息位本书将在 后面有关章节中叙述。 4.3.2 SEQN SEQN 提供一个序列码方式来排列分组流的顺序。对每个包含使用 CRC 数据新的传输分组,SEQN 位将反相。这就要求在接收点滤出重传过 程。重传过程出现是因 ACK 失败,导致收端将再重复接收一次同样的分 组。通过对相邻分组的 SEQN 比较,则正确接收的重传过程就可以不考虑。 SEQN 必须存在头格式里,究其原因是因为在未编码的 ARQ 方式里缺少分 组编号。关于 SEQN 位的初始化及如何合理使用该信息位,本书在后面有 关章节中叙述。同时有关广播分组序列方法确定也在本书后面有关章节中 叙述。 4.3.3 HEC 为检测头完整性,每个头都有一个“头校验错”信息字。HEC 由一个 8 位字组成,该字由多项式 647 (八进制数)生成。HEC 生成器用 8 位值 进行初始化。若 FHS 分组以主呼叫响应状态发送,从单元使用高地址部分 (UAP )。若 FHS 分组以查询响应方式发送,此时就使用缺省校验初始化 (DCI )。在其它情况里,主设备都采用 UAP 方法。关于蓝牙系统中设备 编址的定义,请参看蓝牙编址章节内容。在初始化后,HEC 形成 10 位头。 在校验 HEC 之前,接收装置必须以适当的 8 位 UAP (或DCI )来初始化 HEC 校验电路。如果 HEC 没有校验,则忽略整个分组。更详细的内容参 看本书的错误校验部分。 4.4 分组类 在匹克网上使用的分组与它们使用在什么物理链接方式上有关,直到 现在我们仅涉及到 SCO 和 ACL 两种链接方式。针对这两种链接方式的任 一方式,都有 12 种不同类型的分组能被使用,

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