短距离无线通信技术研究

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1、 短距离无线通信技术 设计题目短距离无线通信技术研究 院（系）名称电子信息学院 专业班级 学号 学生姓名 指导教师刘 小 俊 设计成绩目录1 绪论21.1 概述21.2 国内外研究现状42 短距离无线通信技术标准52.1 蓝牙技术52.1.1 蓝牙技术的典型应用52.1.2 蓝牙技术的特点62.1.3 小结72.2 IEEE802.1172.2.1 IEEE802.11b82.2.2 IEEE802.11a82.2.3 IEEE802.11g92.2.4 小结92.3 红外（IrDA）102.4 HomeRF技术102.5 ZigBee技术112.5.1 ZigBee技术的特点112.5.2

2、小结122.6 超宽带技术（UWB）122.6.1 UWB的技术特点132.6.2 小结142.7 通信标准比较143 射频技术和基带技术153.1 射频技术153.1.1 概述153.1.2 频带和信道分配163.1.3 发射机特性163.1.4 接收机特性183.2 基带技术183.2.1 蓝牙时钟193.2.2 蓝牙设备地址193.2.3 物理信道203.2.4 跳频选择213.2.5 逻辑传输243.2.6 分组244 模块设计274.1 模块化设计思路274.1.1 总体原则274.1.2 PCB工艺因素274.1.3 原理图设计334.1.4 对外接口定义及封装344.1.5 射频

3、信号处理354.1.6 拼板处理354.2 CSR蓝牙芯片364.2.1 BC01芯片364.2.2 BC2系列芯片364.2.3 BC3系列芯片394.3 基于BC2EXTERNAL蓝牙模块设计(TTB102)404.3.1 设计目标404.3.2 对外接口定义及封装404.3.3 原理图414.3.4 PCB设计424.3.5 测试424.3.6 应用43总结45参考文献46致谢48附录一 原器件清单49附录二 系统电路原理图50附录三 系统电路PCB图511 绪论1.1 概述进入21世纪以来，无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。现有的GSM、NCDMA等技术正红红火火地发展，第三代

4、移动通信系统(3G)也已经提上了议事日程，并将很快投入商用。这些技术能实现远距离的通信。但人们也许没有注意到，在同一间屋内或很近的地方，同样也需要无线通信。因此，又出现了另外一种需求：实现低价位、低功耗、可替代电缆的短距离无线通信。人们希望通过一个小型的、短距离的无线网络为移动和商业用户提供各种服务。短距离无线通信作为一个相对较新的技术，它的市场和应用一直备受业界所关注。从1999年蓝牙标准的横空出世开始，很多技术观点都认为短距离无线通信市场会出现爆发式的增长，但近十年过去了，事实证明，蓝牙至今都还没有进入快速的发展阶段，其应用仍停留在高端手机的无线耳机。有意思的是，作为同时期完成标准化的技术

5、IEEE 802.11无线局域网，却在Wi-Fi联盟的强力推动下，得到了空前的推广。如今随着Intel的迅驰技术一道，Wi-Fi的Logo已经在笔记本电脑中随处可见。 由此可见，一种技术的应用推广，除了技术本身完善且有明确的市场定位外，国际产业联盟的推动作用是非常巨大的。蓝牙目前的现状也正是由于产业联盟的运作不够成熟所造成的。正是有了Wi-Fi成功的先例。现在还处于技术标准化时期的短距离无线通信技术，就纷纷建立各自的产业联盟，一方面推动高层协议的规范化，进而开展设备认证和互通测试，另一方面积极进行市场宣传和普及，为今后的产品商用做准备。超宽带（UWB）作为高速短距离无线通信技术的核心已经被大家

6、所公认，尽管物理层标准尚处于争论阶段，但产业联盟的进程却非常快速。目前UWB比较明确的市场包括家庭消费电子、计算机周边设备和移动通信终端。家庭消费电子是家电厂商的传统势力范围，不过随着设备的复杂性增加，各种各样的线缆越来越成为了累赘。以数字电视机为中心，包括CD/DVD播放设备、音响设备、数码相机、数码摄像机等等这些消费类电子产品之间的大量数据的传输需要UWB提供高速短距离无线通信技术。同样的情况出现在计算机周边设备，主机与显示器、USB存储设备、扫描仪、投影仪等高速传输的接口也需要无线化，而且需求更为急迫。Intel所主导的Wireless USB正是这种高速应用的推动组织，2005年初已经

7、有公司展出了基于多频带OFDM的超宽带技术的无线USB控制器。移动通信终端是发展最快的领域，随着3G的全面商用，对终端的存储容量、处理能力和互通性要求也越来越高，UWB这种高速短距离无线通信对蓝牙技术替代也是自然的。面对着如此多的应用场景，各种针对应用的技术联盟也积极开展研究和测试，除了上面提到的Wireless USB之外，还有1394 Trade Association和中国的闪联工作组IGRS。另一方面，低速短距离无线通信的代表技术Zigbee也在Zigbee联盟的运作下稳步发展。2004年底Zigbee联盟发布第一个Zigbee网络协议规范，并确定Zigbee的启动市场为家庭控制、建筑

8、物自动化和工业自动化。其中作为家庭控制领域的应用协议描述（Application Profile）已经制定完成。其它领域的应用协议也正在制定中。从蓝牙协议制定的九个应用协议描述看出，低速的短距离无线通信的应用前景是非常广阔的，特别是在后续的IEEE 802.15.4a增加了测距和定位功能后，其市场范围将进一步扩大。由于人们对无线通信的需求越来越大，各种短距离无线通信技术将在自动化控制和家庭信息化领域扮演越来越重要的角色。本课题将对目前常用的和最新的短距离无线通信技术标准进行研究，分析了它们的优缺点及实现方法，比较了它们在技术上的异同点，讨论了在选择、使用这些技术时应注意的问题，并且选择蓝牙技术

9、设计一个用于鼠标、键盘、USB适配器的通信系统。之所以选择蓝牙技术，是因为目前较成熟的短距离无线通信技术中，IrDA红外传输虽然效率较高但穿透力差;HomeRF技术实现复杂，设备要求高;IEEE802.11标准虽然应用较广，但它专为数据传输设计不能直接提供语音服务，目前提供的带宽也比较有限。相比较之下，蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别的连接。同时它拥有跳频更快，数据包更短等优点，这是蓝牙比其它系统更稳定，蓝牙技术已经被广泛应用于计算机、手机、照相机、播放器、打印机等电子设备之间的数据传输与交换中，因此蓝牙技

10、术的应用前景十分广泛。通过蓝牙模块的设计，将有利于理解无线通信系统的一般特征，为今后学习和应用其他无线通信技术奠定了基础，具有典型的代表意义。1.2 国内外研究现状短距离无线通信技术的出现和应用较好的适应了市场发展的需求,特别是在最近一两年内以惊人的速度发展,各种相关技术层出不穷,已经在医疗、销售、制造、仓储、运输、会展、金融、小型办公、学校等许多不适合或无法布线的场合或需要移动办公、移动工作的企事业单位和行业系统得到了初步的应用。短距离无线通信技术目前在中国尚处于拓荒阶段。国内的通信厂商对短距离无线通信标准化的参与还不是很多，主要停留在研究跟踪阶段。不过，随着我国加入WTO，各种各样的知识产

11、权纠纷接踵而至，许多组织机构和公司已经将短距离无线通信技术纳入了今后的研究视野。中国通信标准化协会（CCSA）的无线通信技术委员会第三工作组已经开始就超宽带技术进行了课题研究，并即将输出相应的研究报告，其它领域如RFID、Zigbee也有了对应的研究计划。不少高校、公司和研究机构都在积极参与15。从国际标准组织上看，我国不少高校和公司已经成为超宽带两大阵营组织的成员，在IEEE802.15会议上，中国UWB论坛、北京邮电大学等甚至联合意大利Create-Net公司向IEEE802.15.4a提交了备选物理层方案。这说明我国的研究力量已经开始向短距离无线通信领域转移了，可以相信在未来几年，国内对

12、这方面的研究将会更加深入和富有成效，从而最大程度地保护自主知识产权，争取在未来的技术标准竞争中位于不败位置。蓝牙技术作为电子设备无线互联的廉价和可靠的技术实现方式，可以作为现有移动设备中的小型、廉价、短距离的无线数据收发机。蓝牙技术的发展和完善经历了较长的时间过程，从创立之处起逐步完善和发展了技术标准，优化和扩大了应用领域，进一步提高了无线通信的可靠性和安全性。现在，蓝牙芯片价格已经低于5美元的预期目标，正逐步被大规模市场化运作，特别是蓝牙耳机、蓝牙适配器等产品市场化运作较为成功，蓝牙技术的新一个发展机遇已经来临。基于蓝牙芯片开发相应的模块是该技术应用的最佳途径，有利于提高效率、降低成本、增加

13、结构设计的灵活性，特别是模块已经集成了射频电路从根本上解决了模块应用的技术难题，更有利于形成优势互补的产业链，推动了蓝牙技术的快速发展。2 短距离无线通信技术标准本章主要介绍几种常见和最新的短距离无线通信技术标准，对目前使用较广泛的蓝牙、IEEE802.11、红外、HomeRF、Zigbee和UWB等传输技术进行了阐述，并分析了它们的优缺点及技术比较。2.1 蓝牙技术蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝芽”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与

14、因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。2.1.1 蓝牙技术的典型应用蓝牙技术适用于以下三个方面的短距离无线连接：（1）数据和语音接入点；（2）替代电线和电缆；（3）包含硬件、软件和互操作需求的一种无固定中心站的网络。蓝牙技术的几种典型应用如下:（1）三合一电话。“蓝芽”技术使一部移动电话手机能在多种场合内使用：在办公室里，这部手机是内部电话，不计电话费；在家

15、里，是无绳电话，计固定电话费；出门在外，是一部移动电话，按移动电话的话费订费。（2）因特网桥。“蓝芽”技术可以使便携式电脑在任何地方都能通过移动电话手机进入因特网，随时随地到因特网上去“冲浪”。（3）交互性会议。在会议中，“蓝芽”技术可以迅速使自己的信息通过电脑、手机、PDA等供其他与会者共享。（4）房门公文包。笔记本电脑还在皮包里时收到了外来的电子邮件，用户的移动电话就会发出声音，提醒用户“电脑收到了电子邮件”。这时用户不用打开电脑，在手机上就可以浏览收到的电子邮件。（5）数字相机中图像的无线传输。“蓝芽”技术将数字相机中的图像发送给其它的数字相机或者PC机、PDA等。（6）各种家用设备的遥

16、控和组成家电网络。2.1.2 蓝牙技术的特点蓝牙技术标准经历了不断完善和发展的过程，蓝牙国际组织特殊利益集团(SIG)制订了不同版本的蓝牙标准，区分蓝牙产品首先应该关注该产品符合的技术版本。蓝牙技术标准制订时间顺序如下1：(1) 2004年11月4日，2.0+EDR版标准；(2) 2003年11月5日，1.2版标准；(3) 2001年2月22日，1.1版标准；(4) 1999年12月l日，l.0b版标准；(5) 1999年7月26日，1.0a版标准，第一个对外公布的标准；(6) 1999年7月5日，1.0版标准草案；(7) 1999年4月30日，09版标准；(8) 1999年l月21日，08版

17、标准；(9) 1998年10月19日，07版标准。本论文以蓝牙标准1.2版为准。蓝牙技术采用1600hpo/s的跳频扩频通信技术，能在特殊模式下支持3200hpo/s跳频速率；引入电路交换和分组交换方式，实现同时承载数据和语音业务；支持多种功耗模式，适合应用于电池供电的数字设备。1.2版蓝牙技术主要参数如表2.1。表2.1 1.2版蓝牙基本技术参数工作频段2402MHz2480MHz双工方式TDD（时分双工）调制技术GFSK（高斯频移键控）业务类型电路交换分组交换调频速率1600hpo/s工作模式PARK（休眠）/HOLD（保持）/SNIFF（呼吸）连接方式面向连接方式的SCO和面向无连接的A

18、CL纠错方式1/3FEC、2/3FEC、ARQ信道加密0位、40位、60位加密字符语音编码CVSD通信距离10m或者100m2.1.3 小结综上所述蓝牙技术是一种全球统一标准、互操作强、体积小、工作频段不受限制、无需电缆连接的无线网络新产品，特别适于短距离移动传输。各类家电信息产品只需多花几美元就能连接成网，嵌入的蓝牙模块成本不高，甚至希望能低于电缆和连接头。人们希望这种理想尽快实现，产品尽快问世。但是蓝牙技术作为一种综合性很强的高科技通信产品，与任何一种高科技新技术一样，它的研发与生产同样存在风险，技术越高，投资必越大，风险也越高。我们应该即要看到蓝牙的特点、优点，也要看到蓝牙的问题和不成熟

19、度。2.2 IEEE802.11 表2.2 802.11特性说明特性说明物理层频段速率安全吞吐量范围优点缺点直序扩频(DSSS) 调频扩频(FHSS) 红外(IR)2.4GHz(ISM频段，802.11b和802.11g)，5Ghz(802.11a)11Mbps，2Mbps，5.5Mbps(802.11b) 55M(802.11a和802.11g)基于RC4的流加密算法，有限的密钥管理11M(802.11b) 54M(802.11a，802.11g)室内100米，室外300米左右无需布线，使用灵活方便，产品已经很多且成熟，价格已经下降安全方便，吞吐量会随着用户的增多和距离的加大而下降IEEE8

20、02.11是美国电气电子工程师协会IEEE（Institute for Electrical and Electronic Engineers）为解决无线网路设备互连，于1997年6月制定发布的无线局域网标准。IEEE802.11标准定义了单一的MAC层和多样的物理层，其物理层标准主要有IEEE802.11b,a和g。2.2.1 IEEE802.11b1999年9月正式通过的IEEE802.11b标准是IEEE802.11协议标准的扩展。它可以支持最高11Mbps的数据速率，运行在2.4GHz的ISM频段上，采用的调制技术是CCK。但是随着用户不断增长的对数据速率的要求，CCK调制方式就不再是

21、一种合适的方法了。因为对于直接序列扩频技术来说，为了取得较高的数据速率，并达到扩频的目的，选取的码片的速率就要更高，这对于现有的码片来说比较困难；对于接收端的RAKE接收机来说，在高速数据速率的情况下，为了达到良好的时间分集效果，要求RAKE接收机有更复杂的结构，在硬件上不易实现。2.2.2 IEEE802.11aIEEE802.11a工作5GHz频段上，使用OFDM调制技术可支持54Mbps的传输速率。802.11a与802.11b两个标准都存在着各自的优缺点，802.11b的优势在于价格低廉,但速率较低（最高11Mbps）；而802.11a优势在于传输速率快（最高54Mbps）且受干扰少，

22、但价格相对较高。另外，11a与11b工作在不同的频段上,不能工作在同一AP的网络里，因此11a与11b互不兼容。2.2.3 IEEE802.11g为了解决上述问题，为了进一步推动无线局域网的发展，2003年7月802.11工作组批准了802.11g标准。该草案与以前的802.11协议标准相比有以下两个特点：其在2.4G频段使用OFDM调制技术，使数据传输速率提高到20Mbps以上；IEEE802.11g标准能够与802.11b的WIFI系统互相连通，共存在同一AP的网络里，保障了后向兼容性。2.2.4 小结它们在技术和性能上各有差异。如表2.3所示： 表2.3 几种主要802.11 WLAN标

23、准的区别标准频带(GHz)最大物理层数据速率(Mbit/s)第三层数据速率(Mbit/s)传输技术与所列标准兼容性主要优点主要缺点802.112.421.2FHSS/DSSS无较大的辐射范围有限的比特率802.11a5.05432OFDM无在非拥挤频段有较高的比特率在802.11标准族中，辐射范围最小802.11b2.41167DSSS802.11应用广泛，较大的辐射范围对许多现在的应用需求来说，比特率太低802.11g2.45432OFDM802.11/802.11b在2.4GHz的频带有较高的比特率共存WLAN数目小，辐射范围比802.11a大802.11是IEEE制订的第一个无线局域网标

24、准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据访问，速率最高只能达到2Mbit/s。其工作频带为ISM频段,标准主要是制定物理层和媒体接入控制(MAC)层的规范。2.3 红外（IrDA）红外线数据协会IrDA（Infrared Data Association）成立于1993年，是致力于建立红外线无线连接的非营利组织。起初，采用IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115.2kbs速率传输数据，很快发展到4Mbs的速率，后来，速率又达到16Mbs。IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，他也许是第一个实现无线个人局域网（PersonalAreaNetw

25、ork，PAN）的技术。目前他的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如PDA、手机上广泛使用。事实上，当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。他还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。由于数据传输率较高，适于传输大容量的文件和多媒体数据。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。IrDA的不足在于他是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于2台（非多台）设备之间的连接。而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。IrDA目前的研究方向

26、是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。2.4 HomeRF技术HomeRF工作组是由美国家用射频委员会领导、于1997年成立的，其主要工作任务是为家庭用户建立具有互操作性的话音和数据通信网。家庭射频（HomeRF）标准是由HomeRF工作组开发的，旨在家庭范围内，使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准。HomeRF是IEEE802.11与DECT的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。HomeRF采用了扩频技术，工作在2.4GHz频带，能同步支持4条高质量语音信道，但是HomeRF的传输速率只有1M2Mbps。由于HomeRF技术没有完全公开，目前只有几十家小企业支持，在抗干

27、扰等方面相对应其他技术而言尚有欠缺，因此它的应用前景还不是十分明朗。HomeRF是对现有无线通信标准的综合和改进：当进行数据通信时，采用IEEE802.11规范中的TCP/IP传输协议；当进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。但是，该标准与802.11b不兼容，并占据了与802.11b和Bluetooth相同的2.4GHz频率段，所以在应用范围上会有很大的局限性，更多的是在家庭网络中使用。2.5 ZigBee技术ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。IE

28、EE802.15.4工作组定义了一种廉价的供固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。ZigBee联盟在制定ZigBee标准时，采用了IEEE802.15.4作为其物理层和媒体接入层规范。在其基础之上，ZigBee 联盟制定了数据链路层（DLL）、网络层(NWK)和应用编程接口(API)规范，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。2.5.1 ZigBee技术的特点(1)复杂性ZigBee协议栈简单，实现相对容易，需要的系统资源也较少，据估计运行ZigBee需要系统资源约28Kb；ZigBee定义了两种类型的设备：全功能设备FFD(Full Functional

29、 Device）和简化功能设备RFD(Reduced Function Device)。网络为主从结构，一个网络有一个网络协调者(Coordinator)和最多可达65 535个从属设备。网络协调者必须是FFD，它负责管理和维护网络，包括路由、安全性、节点的附着与离开等。一个网络只需要一个网络协调者，其他终端设备可以是RFD，也可以是FFD。RFD的价格要比FFD 便宜得多，其占用系统资源仅约为4Kb，因此网络的整体成本比较低。从这一点来说，ZigBee非常适合有大量终端设备的网络，如传感网络、楼宇自动化等。（2）可靠性信号在无线环境中传输，必然存在大尺度衰落、阴影衰落、多径和干扰等问题。Zi

30、gBee、蓝牙和WLAN(IEEE802.11b)都是工作于2.4GHzISM频段，相互间的干扰是不可避免的，因此保证可靠性尤为重要。ZigBee有三个工作频段：2.4022.480GHz、868868.6MHz、902928MHz，共27 个信道。信道接入方式采用CSMA-CA，能有效地减少帧的冲突。为抗干扰和多径，ZigBee在物理层采用直接序列扩频DSSS和频率捷变FA技术。在网络层，ZigBee支持网状网，存在冗余路由，保证了网络的健壮性。（3）功耗低功耗是ZigBee的一个重要特征。在一个典型的ZigBee传感网络中，一块普通碱性电池可以供ZigBee设备工作六个月到两年！下面讨论Z

31、igBee获得低功耗的方法。ZigBee的MAC 信道接入机制有两种：无信标（Beacon）模式和有信标模式。无信标模式就是标准的ALOHACSMA-CA 的信道接入机制，终端节点只在有数据要收发的时候才和网络会话，其余时间都处于休眠模式，这样平均功耗就非常低。有信标模式下，终端设备可以只在信标被广播时醒来，并侦听地址，如果没有侦听到自己的地址，则又转入休眠状态。信标对簇形网络(Cluster tree network)和网状网(Mesh network)的节点同步尤为重要，节点不用长时间侦听信道而消耗能量。网络拓扑结构对功率节省也有很重要的关系。星形和簇形网络结构比网状网结构更有利于功率节省

32、。因为前者的终端节点不充当路由器的功能，只收发自己的数据，这样可以节省更多功率。2.5.2 小结由于ZigBee具有功耗极低、系统简单、成本低、低等待时间(Latency Time)和低数据速率的性质，它非常适合有大量终端设备的网络。可以应用到以下领域：楼宇自动化、工业监视及控制、计算机外设、互动玩具、医疗设备、消费性电子产品、家庭自动化以及其他一些传感网络。2.6 超宽带技术（UWB）超宽带(UWB)有着悠久的发展历史，但在1989年之前，超宽带这一术语并不常用，在信号的带宽和频谱结构方面也没有明确的规定。1989年，美国国防部高级研究计划署(DARPA)首先采用超宽带这一术语，并规定：若信

33、号在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽（信号带宽与中心频率之比）大于25%，则该信号为超宽带信号。信号带宽与中心频率之比在1%25%之间为宽带，小于1%为窄带。为探索UWB应用于民用领域的可行性，自1998年起，美国联邦通信委员会(FCC)开始在产业界广泛征求意见。美国NTIA等通信团体对此大约提交了800多份意见书。2002年2月，FCC批准UWB技术进入民用领域，并对UWB进行了重新定义，规定UWB信号为相对带宽大于20%或-10dB带宽大于500MHz的无线电信号。可以预见，在未来的几年中，UWB将成为无线个域网、无线家庭网络、无线传感器网络等短距离无线网络中占据主导地位的

34、物理层技术之一。2.6.1 UWB的技术特点(1)传输速率高，空间容量大根据仙农(Shannon)信道容量公式，在加性高斯白噪声(AWGN)信道中，系统无差错传输速率的上限为：其中,B(单位:Hz)为信道带宽,SNR为信噪比。在UWB系统中，信号带宽B高达500MHz7.5GHz。因此，即使信噪比SNR很低，UWB系统也可以在短距离上实现几百兆至1Gb/s的传输速率。例如，如果使用7GHz带宽，即使信噪比低至-10dB，其理论信道容量也可达到1Gb/s。因此，将UWB技术应用于短距离高速传输场合(如高速WPAN)是非常合适的，可以极大地提高空间容量。理论研究表明，基于UWB的WPAN可达的空间

35、容量比目前WLAN标准IEEE802.11a高出12个数量级。(2)适合短距离通信按照FCC规定，UWB系统的可辐射功率非常有限，3.1GHz10.6GHz频段总辐射功率仅0.55mW，远低于传统窄带系统。随着传输距离的增加，信号功率将不断衰减。因此，接收信噪比可以表示成传输距离的函数(d)。根据仙农公式，信道容量可以表示成距离的函数：另外,超宽带信号具有极其丰富的频率成分。众所周知，无线信道在不同频段表现出不同的衰落特性。由于随着传输距离的增加高频信号衰落极快，这导致UWB信号产生失真，从而严重影响系统性能。(3)具有良好的共存性和保密性由于UWB系统辐射谱密度极低(小于-41.3dBm/M

36、Hz)，对传统的窄带系统来讲，UWB信号谱密度甚至低至背景噪声电平以下，UWB信号对窄带系统的干扰可以视作宽带白噪声。因此，UWB系统与传统的窄带系统有着良好的共存性，这对提高日益紧张的无线频谱资源的利用率是非常有利的。同时，极低的辐射谱密度使UWB信号具有很强的隐蔽性，很难被截获，这对提高通信保密性非常有利。(4)多径分辨能力强，定位精度高由于UWB信号采用持续时间极短的窄脉冲，其时间、空间分辨能力都很强。因此，UWB信号的多径分辨率极高。极高的多径分辨能力赋予UWB信号高精度的测距、定位能力。无线信道的时间选择性和频率选择性是制约无线通信系统性能的关键因素。在窄带系统中，不可分辨的多径将导

37、致衰落，而UWB信号可以将它们分开并利用分集接收技术进行合并。因此，UWB系统具有很强的抗衰落能力。但UWB信号极高的多径分辨力也导致信号能量产生严重的时间弥散(频率选择性衰落)，接收机必须通过牺牲复杂度(增加分集重数)以捕获足够的信号能量。这将对接收机设计提出严峻挑战。在实际的UWB系统设计中，必须折衷考虑信号带宽和接收机复杂度，得到理想的性价比。(5)体积小、功耗低传统的UWB技术无需正弦载波，数据被调制在纳秒级或亚纳秒级基带窄脉冲上传输，接收机利用相关器直接完成信号检测。收发信机不需要复杂的载频调制/解调电路和滤波器。因此，可以大大降低系统复杂度，减小收发信机体积和功耗。2.6.2 小结

38、由于UWB传输速率快，体积小，功耗低，尤其是它精度高，保密性好，所以UWB技术一直以来都是军方使用的作战技术之一，但由于UWB具有巨大的传输速率优势，同时受发射功率限制，在短距离范围内提供高速无线数据传输是UWB的重要应用领域，如当前WLAN和WPAN的各种应用。2.7 通信标准比较通过对这几种短距离无线通信技术标准的研究和比较，选择蓝牙技术设计一个用于鼠标、键盘、USB适配器的通信系统。之所以选择蓝牙技术，是因为目前较成熟的短距离无线通信技术中，IrDA红外传输虽然效率较高但穿透力差;HomeRF技术实现复杂，设备要求高;IEEE802.11标准虽然应用较广，但它专为数据传输设计不能直接提供

39、语音服务，目前提供的带宽也比较有限。相比较之下，蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别的连接。同时它拥有跳频更快，数据包更短等优点，这是蓝牙比其它系统更稳定，蓝牙技术已经被广泛应用于计算机、手机、照相机、播放器、打印机等电子设备之间的数据传输与交换中，因此蓝牙技术的应用前景十分广泛。3 射频技术和基带技术射频(Radio Frequency)技术和基带(Baseband)技术是蓝牙技术的基础和核心。如何正确地理解和掌握射频技术和基带技术是应用该技术的前提;蓝牙技术研发和生产过程中的重要内容射频测试完全符合该射频技

40、术标准;基带技术定义了信道控制、分组格式、纠检错机制、跳频选择、安全技术等内容。3.1 射频技术3.1.1 概述射频技术主要完成以下功能:(1) 与工作同一频段的其它设备兼容；(2) 确保QoS3。蓝牙工作在无需申请的2.4GHz ISM(工业、科学、医疗)频段，采用跳频收发信机以减小干扰和衰减，采用二进制FM调制以降低收发信机的复杂度，采用TDD全双工方案以实现数据和语音的实时通信。3.1.2 频带和信道分配蓝牙工作在2.4GHzISM频段，该频段范围为:2400一2483.5MHz。蓝牙技术使用间隔为1MHz的79个射频信道，如表3.1所示，低端和高端的保护频带分别为2MHz和3.5MHz

41、。表3.1 蓝牙射频信道4ISM频带蓝牙射频信道2400一2483.5MHzF=2402+k MHz, k=0,17,83.1.3 发射机特性1.发射功率区分不同的蓝牙设备首先应该确定该设备的发射功率等级，不同的功率等级需要不同的射频解决方案。根据天线连接处测得的发射功率大小，将蓝牙设备分为三类，如表3.2所示。 表3.2 蓝牙设备功率分类5CLASS最大输出功率（Pmax）典型输出功率（Pnom）最小输出功率（Pmin）1100mW(20dBm)N/A1Mw(0dBm)22.5mW(4dBm)1mW(0dBm)0.25mW(-6Bm)31mW(0dBm)N/AN/A与此同时，也可以用通信距离

42、表述功率输出等级，100m通信距离表示Class1蓝牙设备，10m通信距离表示Class 2蓝牙设备。一般蓝牙耳机、蓝牙鼠标、蓝牙车载免提等设备只需Class 2功率水平，对于蓝牙USB适配器可以设计Class1或者Class 2功率水平，视应用场合而定，不同功率等级的蓝牙设备之间通信可能出现无法预料的问题。Class 1设备必需要实施功率控制，对发射功率大于4Bdm，根据实时测量接收信号强度指示(RSSI)数据比较功率控制表，以通知对方降低或者增加发射功率。功率控制可以优化功率消耗水平、降低相互干扰。对发射功率低于4dBm的Class 2设备可以选择实施功率控制，同样可以优化功率消耗水平、降

43、低干扰，当然可以不采取功率控制。在连接状态、寻呼、查询等状态，Class 1和Class 2蓝牙设备之间通信，可能由于Class 1发射功率大、距离太近而使Class 2设备无法正常接收数据。在这种情况下，应将Class 1设备功率水平控制在Class 2水平，这一点也是蓝牙技术开发过程、调试过程中必须关注的问题。一旦引入功率控制机制，蓝牙技术开发应用时需要定制功率控制表，向系统提供一个步进规律，系统读取RSSI值后，根据该表来通知对方加大或者降低发射功率、步进值等。蓝牙技术对功率表步进值有明确的规定，最大8dB，最小2dB。2调制特性蓝牙采用GFSK(高斯频移键控)调制技术，调制系数位于0.

44、28一0.35之间，采用1600hpo/s，即o.625ms时间段位于同一个频点，用正频偏代表逻辑1，负频偏代表逻辑O，从而实现频移键控技术。蓝牙RF中重要测试指标为频率偏移范围。如图3.l所示GFSK眼图参数，横轴为时间，纵轴为频率。Transmit Frequency Ft(载波)表示1600hpo/s的某一个跳频点，fd标志逻辑1或者0的频率偏移，Zero Crossing表示过零点位置。图3.1有以下几个要点：(1) 保证Transmit Frequency Ft(载波)稳定度，该稳定度有两个指标；(a)Initial Carrier Frequency孔Tolerance，表示系统不

45、发送数据分组时的载波稳定度，要求小于士75KHz ；(b)Carrier Frequency Drift，表示发送数据分组时隙内的载波漂移，根据分组长度不同有不同的要求，具体参数如表3.3。(2) fd正常范围为145KHz175KHz ；(3) Zero Crossing error低于1/8符号周期。 表3.3 Carrier Frequency Drift 图3.1 GFSK参数3杂散功率蓝牙技术对射频信号带外噪声有明确的规定。理论上要求载波在哪个频点，应该发射在哪个频点，但工程上是无法实现，不可能是纯粹的载波频率信号，可能包含临近频段的信号，而该临近频段的信号可能对附近信道特性产生影响

46、。蓝牙系统对该干扰信号进行的参数限制为:首先，-20dBm频带范围，即从最大功率值所在的频点分别从两端沿频谱走向减小20dBm后的确定两个频点位置，要求计算该两点间隔小于1 MHz;其次，对绝对功率水平有明确的定义，对于发射载波偏移2MHz后的信号功率低于-20dBm，对于偏移大于等于3MHz后的信号功率低于40dBm。3.1.4 接收机特性蓝牙系统接收机灵敏度电平为-70 dBm，保证BER0.1%。接收机特性主要从抗干扰性能、抑制频带外噪声和互调特性三方面考虑。分别通过Sensitivity-one slot packets(单时隙灵敏度)、Sensitivity- multi-slot

47、packet(多时隙灵敏度)、Blocking Performance(抑制带外噪声性能)、Intermodulation Performance(互调特性)等项目来测试是否满足BER0.1%。3.2 基带技术蓝牙技术支持点对点和点对多点的连接。在点对点连接时，两个设备共同分享一个物理信道；在点对多点连接时，一个主设备和最多七个从设备形成一个匹克网(Piconet)，多个设备共同分享一个物理信道，由主设备控制和管理物理信道;多个匹克网组成一个散射网(Scatternet)，但是每一各匹克网内部设备仍然共享一个物理信道。蓝牙技术支持的空中基带数据分组格式如图3.2，该分组分为三部分，包括Aces

48、s Code(识别码)、Header(分组头)、Payload(负载)。图3.2 基带数据分组格式3.2.1 蓝牙时钟蓝牙时钟稳定度、精度对系统的正确运行至关重要，直接影响射频性能，需要对每一个出产的蓝牙产品进行时钟校准。通过调节Pskey中的Trim值来调整时钟，在测试流程中会有一个操作用于校准蓝牙时钟。每一个蓝牙设备都有一个本地时钟，该时钟不受外部任何因素影响，为了实现与其它蓝牙设备保持时钟同步，只需要在本地时钟基础上加上实时偏移(Offset)。蓝牙时钟采用28位的计数器实现，计数周期位312.5 u s，即3 .2KHz。以此同时，蓝牙时钟计数器有几个关键位变化对蓝牙系统产生影响：CL

49、Ko,CLK1, CLK2, CLK12，分别对应312.5us，625us，1.25ms和1.28s。蓝牙时钟计数器如图3.3所示。 图3.3 蓝牙时钟计数器3.2.2 蓝牙设备地址每一个蓝牙设备都需要分配一个不同48 - bits的蓝牙设备地址（BD_ADDR）。如图3.4蓝牙地址格式，包括LAP, UAP、和NAP三部分。LAP称为低位地址，长度24bits; UAP称为高位地址，长度8bits; NAP称为无意义地址，长度16bits o 24bits LAP称为公司分配号(Company_ assigned)， UAP和NAP合起来总共24bits称为公司ID (Company_id

50、 ) 7。图3.4 蓝牙地址格式蓝牙设备地址段需要从IEEE Registration Authority注册申请(www.ieee.org)，其中三个字节的公司.C Company一d)由IEEE统一分配、管理，而三个字节的公司分配号(Company_ assigned)由蓝牙设备生产厂商自行分配。即蓝牙设备制造商需要向IEEE申请24bits的Company一d，然后自行分配低端24bits。同样道理，可以根据蓝牙地址中的Companyd识别该设备的制造商，在www.ieee.org网站查出对应Companyd的公司名称。支付一定的费用申请一个Companyd可以用于16,000,000个

51、蓝牙设备地址分配。但是，注意蓝牙设备又保留了64个LAP地址用于查询操作，不能用于蓝牙设备地址分配，该LAP地址段为0x9E8B000x9E8B3F。3.2.3 物理信道一个伪随机跳频序列标志蓝牙物理信道，跳频序列由蓝牙地址的UAP和LAP决定，序列的相位由蓝牙时钟决定。物理信道被分成以时隙为单位的时间段，由跳频选择内核(Selection Box)决定某一个时隙所处的频点位置，在连接状、态跳频速率为1600hpo/s，而在查询(Inquiry)和寻呼(Page)子状态，跳频速率为、3200hpo/s。蓝牙物理信道主要有： (1) 基本匹克网物理信道； (2) 自适应匹克网物理信道； (3)

52、寻呼扫描物理信道； (4) 查询扫描物理信道。蓝牙设备处于连接状态时，缺省使用(1)基本匹克网物理信道，在信道条件不一致情况下，可以使用(2)自适应匹克网物理信道。基本匹克网物理信道由主蓝牙设备的决定，它的蓝牙地址和时钟决定伪随机跳频序列的跳频规律，通过轮询方案实现对匹克网物理信道的流量控制。主蓝牙设备是指通过发起寻呼请求并且成功建立连接的设备，从蓝牙设备是指被连接设备，连接建立后，主从角色同样可以交换。基本匹克网物理信道将时间分成625 u s长度的时隙，以TDD方式实现主从设备之间的通信，如图3.5主从设备之间采用TDD方式的多时隙分组通信。 图3.5 主从设备之间多时隙分组通信自适应匹克

53、网物理信道使用自适应跳频选择序列，即跳过某些物理信道条件较差的射频信道，有利于增加无线通信可靠性和兼容性。自适应物理信道至少使用20个射频信道，它与基本匹克网物理信道有两点不同:(1) 在从主时隙，与先前主从时隙使用相同的射频信道，如图3.6所示；(2) 可能使用少于79个射频信道。图3.6 从主时隙与前一个从主时隙使用相同RF信道3.2.4 跳频选择蓝牙设备使用跳频选择内核(Selection Box)产生六种伪随机跳频序列，五种为基本跳频序列，一种为自适应跳频序列(AFH )，这些序列类型如下:(1) 寻呼跳频序列(Page)；(2) 寻呼响应跳频序列(Page Response)；(3)

54、 查询跳频序列(Inquiry )；(4) 查询响应跳频序列(Inquiry Response)；(5) 基本信道跳频序列(Basic)；(6) 自适应信道跳频序列(AFH )。1通用选择框图(Selection Box)如图3.7跳频选择方案框图，输入参数决定信道系数，这些输入参数包括27bits蓝牙时钟、28bits UAP/LAP ( LAP和UAP低的4bits), frozen clock、 N，Koffset、sequence selection(序列类型)和AFH channel map(自适应跳频图案)。图3.7 跳频图案选择框图2基本跳频序列选择内核如图3.8基本跳频图案选择

55、内核，是寻呼(Page)、寻呼响应(Page Response)、查询(Inquiry)、查询响应(Inquiry Response)和基本(Basic)跳频序列的选择内核，输入参数有X, Y1, Y2, A, B, C, D, E, F。X输入决定跳频序列的相位;Y1和Y2选、择主从和从主时隙;A-D决定段内顺序(将79个跳频点分成犯个点组成的多个、段);E-F决定跳频序列和跳频点的对应关系。选择内核依次由ADD(加法器), XOR(异或器), PERM5(蝶行序列运算)、ADD(加法器)组成。其中，加法器将两个数相加，模32(第一加法器)或者79(第二个加法器)；异或操作将对应位进行异或;

56、PERMS如图3.9所示，Z4-Z0代表图中PERMS左边XOR 5bits输入，其中Z0表示低位，P13-P9代表图中PERMS上部C和Y1 XOR产生的5bits数据，P8-P0代表图中PERMS上部9bits D输入。而图中的单个蝶行运算如图3.10所示，由两个选择器组成，两输入、两输出、一控制;当P为0时，输出等于输入;当P为1时，输出和输入反向。X, Y1等参数由跳频图案选择框图的输入参数产生，例如连接状态时，X为蓝牙时钟的第2到6位，其它参数类同。图3.8 基本跳频图案选择内核8图3.9 PERMS运算图3.10 蝶行运算3自适应跳频选择内核适应跳频选择内核基于基本跳频选择内核，除

57、了AFH_channel_map(自适应跳频图案)输入参数，与基本跳频序列选择内核有相同的选择参数。AFH_channel_map用于指示哪个射频信道可以使用、哪个射频信道不能使用。在自适应跳频选择下，可以使用射频信道可能少于79个，但是不能少于20个。自适应跳频图案选择先通过基本跳频选择内核产生射频信道选择参数，比较AFH_channel_map是否可以被使用，如果可以则使用该射频信道，否则通过自适应跳频选择算法，重新选择一个新的射频信道。3.2.5 逻辑传输在主从蓝牙设备之间建立不同类型的逻辑传输链路，总共有五种不同类型的逻辑传输:(1) 面向同步连接(SCO)的逻辑传输；(2) 扩展的面

58、向同步连接(eSCO)的逻辑传输；(3) 面向异步连接(ACL)的逻辑传输；(4) 活动从设备广播(ASB)逻辑传输；(5) 休眠从设备广播(PSB)逻辑传输。SCO逻辑传输是在匹克网中点对点的逻辑传输，一般用于语音、同步数据等对延时有严格限制的业务，主设备通过保留时隙来保持SCO。eSCO逻辑传输不但具有保留时隙，而且在保留时隙之后设立重传窗口以加强可靠性。ACL逻辑传输同样是在主从设备之间建立点对点逻辑传输，但只能在非保留时隙，主设备可以和多个从设备建立ACL逻辑传输。ASB逻辑传输用于主设备与活动从设备进行通信，而PSB逻辑传输用于主设备与休眠从设备进行通信。3.2.6 分组蓝牙基带分组

59、通用格式如图3.11所示，分为三部分：Acess Code(识别码)、Header(分组头)、Payload(负载)。左边为低位(LSB)，右边为高位(MSB),低位比特先发送。Access Code长度为72bits，Header长度为54bits，Payload最长可以达2745bits。部分分组只由有Access Code，分组长度为68bits。图3.11 基带分组通用格蓝牙式面向同步连接(SCO)的逻辑传输有NULL、POLLFHS、DM1、HV1、HV2、HV3、DV分组；扩展的面向同步连接(eSCO)的逻辑传输有NULL、POLL、EV3、EV4、EV5分组；面向异步连接(ACL

60、)的逻辑传输有NULL、POLL、FHS、DM1、DH1、DH3、DH5、DM1、DM3、DM5、AUX1分组。ID、NULL、POLL、FH5为链路控制分组，该类分组统计信息如表3.4所示；DM1、DH1、DH3、DH5、DM1、DM3、DM5、AUX1为ACL分组，该类分组统计信息如表3.5所示；HV 1、HV2、HV3、EV3、EV4、EV5为同步语音分组，该类分组统计信息如表3.6所示。ID分组没有负载，用查询操作;NULL分组没有负载，用于返回ARAN(确认)信息；POLL分组没有负载，用于轮询多个蓝牙从设备；FHS分组用于在链路建立过程中传递主设备跳频同步信息。表3.4 链路控制分

61、组 表3.5 同步语音分组 表3.6 ACL分组4 模块设计 蓝牙模块是将蓝牙芯片及通用外围电路集成到一块电路板，最小化电路板尺寸，最佳化对外接口定义和封装，完成主要射频电路的设计和测试工作。本章主要涉及蓝牙模块化设计思路、基于BC2-EXTERNAL蓝牙芯片的TTB102蓝牙模块设计。4.1 模块化设计思路4.1.1 总体原则采用模块化设计思路是蓝牙技术开发的最佳途径，在选择适合的蓝牙芯片基础上，需要确定电路板设计方法和测试方法。一方面由于蓝牙模块是2.4GHz射频模块，另一方面由于蓝牙模块具有通用性需求，用于蓝牙鼠标、蓝牙耳机、蓝牙USB适配器等蓝牙设备，只是采用不同的外围电路；再有，蓝牙

62、模块集成蓝牙芯片外围所有的通用电路，完成大部分射频电路的设计和测试。蓝牙模块设计总体原则主要有以下:(1) 正确选择蓝牙芯片型号及封装；(2) 针对蓝牙芯片BGA封装，根据PCB厂加工工艺水平，确定合适的BGA线方案；(3) 根据PCB厂的工艺水平，确定模块叠层结构和工艺参数等；(4) 确定具有最大化兼容性的原理图设计；(5) 定义最佳的对外接口和封装结构；(6) 最优化射频电路处理。4.1.2 PCB工艺因素选择合适的PCB加工工艺水平非常重要，紧密结合模块的加工工艺要求和PCB厂的工艺水平。尽量不希望出现模块的设计超出了PCB厂的加工能力，或者由于选择的较高的工艺水平而导致太高的加工成本。1.叠层结构模块设计需要选择电路板叠层结构，一般确定为四层板:(1) 顶层:放置元器件，走线；(2) 中间一层:地层；(3) 中间二层:电源层；(4) 底层:不放置组件，走线，模块对外封装。2.BGA走线方案 确定使用CSR公司生产的蓝牙芯片，因为该芯片为BGA封装，需要确定最佳的BGA的走线方案。如图4.1所示BGA封装结构，部分引脚走线比