蓝牙技术的起源、特点以及技术优势

摘要    本文介绍了蓝牙技术的起源、特点以及技术优势。分析了蓝牙技术的应用与未来发展，并对基于BRF6100芯片的Bluetooth解决方案的性能和优势进行了探讨。

    关键字  Bluetooth, 射频技术 ，CMOS，无线上网

    一  引言

今后，不仅无线上网将成为上网的主要方式，而且人们随身携带的各种便携式设备也将连接成无线网络，给我们提供无比方便。我们随身携带的便携式设备很多，有移动电话、PDA(个人数字助手)、笔记本电脑、数码相机、便携式游戏机、便携式MP3播放机、手表等等。最初，人们把笔记本电脑同移动电话有线连接，通过移动电话无线上网。后来PDA可以同移动电话连接而实现无线上网。现在正实现以移动电话为中心，各种设备连接成无线网络而实现无线上网。这样，人们只要把移动电话放在口袋里，笔记本电脑、PDA等便可上网浏览，还可以用于收发电子邮件；收到新的电子邮件时，手表可以边响起歌曲边产生振动进行通知；通过移动电话人们还可以把音乐数据自动下载到MP3播放机上，再通过无线耳机欣赏音乐。

这种把个人携带的设备无线连接成的网络叫做个人局域网(PAN)。它以移动电话作为信息网关，使各种便携设备之间可以交换内容。现在这种PAN已不是设想，随着“蓝牙(Bluetooth)”技术的实用，PAN正在变为现实。

1．蓝牙的由来、特点和意义　

    蓝牙是由瑞典爱立信等5家公司开展标准化活动而提出的近距离无线(2.4GHz)数据通信技术，现在正进入实用阶段。----1998年5月，爱立信、IBM、Intel、诺基亚、东芝等5家公司开始进行近距离无线通信技术的标准化活动。其目标是实现最高数据传输速度1Mb/s(有效传输速度为721kb/s)、最大传输距离达10米，用户不必经过允许便可利用2.4GHz的ISM(工业、科学、医学)频带，在其上设立79个带宽为1MHz的信道，用每秒钟切换1600次的频率、滚齿(hobbing)方式的频谱扩散技术来实现电波的收发。这也就是蓝牙技术的由来和特点。

使用蓝牙技术进行通信的设备，分为决定频率滚齿模式的“主叫方”和它的通信对手“受取方”。主叫方可同时与7台受取方通信。因此可以把主叫方连同7台受取方共8台设备连接成名为Piconet(锯齿网)的子网。Piconet内的受取方可以同时作为两个以上Piconet的受取方。----1999年7月，蓝牙公布了正式规格BluetoothVersion1.0。遵从这一规格的移动电话和笔记本电脑将于1999年底或2000年初上市。声称要把蓝牙技术产品化的企业正与日俱增，目前蓝牙标准化团体“BluetoothSIG(特别兴趣组合)”的成员企业数已增加到800家以上。

为了使蓝牙得到普及，使用蓝牙技术的厂家关心两个问题，一是使收发设备低价格化，二是国家对可利用频率带宽的规定。这两个问题是推广蓝牙的关键。

    由于采用了低的数据传输速度和传输距离，因此蓝牙相应设备可以实现低价格化、低耗电化。每个模块刚推出时估计为20～30美元，随着大量生产和采用高频CMOS技术，2001年其价格可降到每个5美元。关于频率带宽的规定，各国也在积极进行放宽对2.4GHz频带使用的。

    二  技术特点

蓝牙是一个开放性的、短距离无线通信技术标准。它可以用来在较短距离内取代目前多种线缆连接方案，穿透墙壁等障碍，通过统一的短距离无线链路，在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数据通信。 

蓝牙技术规范包括协议和应用规范两个部分。整个蓝牙协议体系结构可分为4层，即核心协议层、线缆替代协议层、电话控制协议层和采纳的其它协议层。

蓝牙涉及一系列软硬件技术、方法和理论，包括无线通信与网络技术，软件工程、软件可靠性理论，协议的正确性验证、形式化描述和一致性与互联测试技术，嵌入式实时操作系统，跨平台开发和用户界面图形化技术，软硬件接口技术以及高集成、低功耗芯片技术。1.射频技术 2.基带 3.TDMA结构 4.跳频技术 5.网络特性 6.全球性地址 7.协议分层 8.安全性 。

蓝牙系统一般由天线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议栈）单元四个功能单元组成。 1.天线单元  2.链路控制（硬件）单元  3.链路管理（软件）单元  4.软件（协议栈）单元 。

    蓝牙设备依靠专用的蓝牙微芯片使设备在短距离范围内发送无线电信号，来寻找另一个蓝牙设备。一旦找到，相互之间便开始通信。目前，蓝牙的研制者主要寻求其ASIC的解决方案，包括射频和基带部分。现在已有多种将基带ASIC电路和射频ASIC电路做成一个电路模块的方案，预计很快将会进入批量生产的阶段。蓝牙系统的通信协议大部分可用软件来实现，加载到Flash RAM中即可进行工作。

三、应用和发展趋势

1）开拓无线连接的新用途：现在许多手表厂家、游戏厂家都加入了蓝牙SIG，表明了他们都要采用蓝牙技术。日本卡西欧公司便声称，他们的数码相机、手表等许多产品，今后都将使用蓝牙技术；在第三代移动通信中显身手：日本将在2001年3月开始第三代移动通信(WCDMA)服务，NTT正在研究在用于这一服务的移动电话中使用蓝牙技术。1999年5月，在东京举行的“99商品展览会”上，厂家展出了W CDMA移动电话的各种型号样机，其中许多型号的接收部分同手持部分相互分开，人们猜想这也许就是要用于使用蓝牙技术的无线通信。蓝牙也将用在笔记本电脑上：综合爱立信、Intel、Dataquest、VLSITechnology等公布的资料，我们预计到2002年时，使用蓝牙技术的移动电话将达到2.5亿台，使用蓝牙技术的PCMCIA卡和Modem等外围设备将达到1.5亿台，使用蓝牙技术的个人机将达到2500万台；半导体厂家加入有利于降价：除了机器厂家外，半导体厂家也在加入这一领域，这将有助于使收发模块降低价格。大厂家的加入，将使移动电话采用的LSI实现通用化和单芯片化；加快蓝牙普及的一个重要因素是现在已有的红外通信技术IrDA(红外数据联盟)，蓝牙无疑要尽量沿用IrDA的软件资源：蓝牙SIG已经发表了采用IrDA的对象交换协议(OBEX)。采用OBEX的应用软件可以不关心机器和方式的不同，因而各种各样的对象都可以进行交换。现在业界正在讨论蓝牙同IrDA上层协议通用化的问题。例如当双方对话层协议采用IrDA制定的OBEX时，便可共享同样的应用软件。此外，在蓝牙的网络层和传输层RFComm也可以使用IrDA的用以转送图像文档的协议IrTranP。

日本卡西欧已在1999年3月于德国举行的“CeBIT’99”展览会上，进行了使用IrTran P转送图像文档的表演，结合使用TrTran P和蓝牙技术，人们便可在移动电话和数码相机之间进行图像文档的转送。数码相机中的图像经由公共移动电话网送到移动电话上，再通过IrDA在笔记本式机的屏幕上显示出来，整个过程用了40秒，主要时间是用在公共移动电话网上进行数据通信。这种方法下层分别使用蓝牙和IrDA，上层沿用现有的IrDA协议。

2）蓝牙发展趋势可以概括以下几点：第一，小型企业吸引资金，投资者寻找有发展前途的小型企业，目的是共同在技术上找到突破点，使价格降下来。第二，解决蓝牙的互操作性问题，目前的产品一致性测试都已经没问题，但是无法互通，蓝牙只有成为无线通信的世界语才有意义，目前的21个成员就显得单薄。第三，对国内的企业来说，关键的是要找到开发应用的目标，有针对地开发出创新的应用产品，避免与国外企业的冲突。第四，考虑蓝牙与其他技术的共存性，蓝牙只是WPAN中重要的技术，有起局限性，WPAN网的实现需要几种技术的结合完成，大的公司往往不仅参与一个标准、一项技术的开发，比如英特尔，既参加蓝牙，又参加IEEE802，HOMERF等。第五，从技术上讲，蓝牙要向单芯片方向发展，目前已经有所突破。第六，蓝牙与其他相同标准的干扰的解决、蓝牙的耗电、蓝牙的体积等等方面有所突破。

    我国的产业界和有识之士应当在蓝牙发展中勇当先锋，敢于创新，因为我们经过多年的经济持续稳定地增长，有了相当的物质和人才基础，应该在蓝牙的发展中有所作为。

四  基于BRF6100芯片的Bluetooth解决方案

    TI公司的BRF6100 是形成一个完整的Bluetooth无线通信单位的高度集成了CMOS的Bluetooth解决方案。 这个设计集成了 Bluetooth 基带，射频，內存和提高性能的处理芯片, 降低了成本而且获得最小的板空间。

    BRF6100 是数字射频的首次迭代,在提供比模拟射频更可观优势的射频技术的。这些包括减少处理变化的磁化系数,增加可测性, 改良的效率,低功耗 , 易与基带和射频的集成,而且最终降低成本。

蓝牙技术硬件实现模式分析

摘要：介绍了蓝牙技术的体系结构及特点，并结合Transilica公司生产的Onechip蓝牙产品TR0700单芯片，分析了硬件实现模式。

    关键词：蓝牙技术 硬件实现 链路管理与控制 跳频

蓝牙技术是一项新兴的技术。它的主要目的是在全世界建立一个短距离的无线通信标准。它使用2.4GHz～2.5GHz的ISM（Industrion Scientifc Medical）频段来传送话音和数据。运用成熟、实用、先进的无线技术来代替电缆，它提供了低成本、低功耗的无线接口，使所有固定和移动设备通过微微网PAN（Personal Area Network）连接起来，诸如：计算机系统、家庭影院系统、无绳电话系统、通信设备等，相互通信，实现资源共享。蓝牙技术支持多种电子设备之间的短距离无线通信，这种通信不需要任何线缆，亦不需要用户直接手工干涉；每当一个嵌入了蓝牙技术的设备发觉另一同样嵌入蓝牙技术的设备，它们就能自动同步，相互通信，实现资源共享。

1 蓝牙的结构体系

蓝牙协议栈的体系结构如图1所示。它是由底层硬件模块，中间层和高端应用层三大部分组成。

    1.1 蓝牙的底层模块

底层模块是蓝牙技术的核心模块，所有嵌入蓝牙技术的设备都必须包括底层模块。它主要由链路管理层LMP（Link Manager Protocol）、基带层BB（Base Band）和射频RF（Rodio Fraquency）组成。其功能是：无线连接层（RF）通过2.4GHz无需申请的ISM频段，实现数据流的过滤和传输；它主要定义了工作在此频段的蓝牙接收机应满足的需求；其带层（BB）提供了两种不同的物理链路（同步面向连接路SCO Synchronous Connection Oriented和异步无连接链路ACL Asynchronous Connection Less），负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输，且对所有类型的数据包提供了不同层次的前向纠错码FEC（Frequency Error Correction）或循环沉余度差错校验CTC（Cyclic Redundancy Check）；LMP层负责两个或多个设备链路的建立和拆除及链路的安全和控制，如鉴权和加密、控制和协商基带包的大小等，它为上层软件模块提供了不同的访问入口；蓝牙主机控制器接口HCI（Host Cntroller Interface）由基带控制器、连接管理器、控制和事件寄存器等组成。它是蓝牙协议中软硬件之间的接口，提供了一个调用下层BB、LM、状态和控制寄存器等硬件的统一命令，上、下两个模块接口之间的消息和数据的传递必须通过HCI的解释才能进行。HCI层以上的协议软件实体运行在主机上，而HCI以下的功能由蓝牙设备来完成，二者之间通过传输层进行交互。

1.2 中间协议层

中间协议层由逻辑链路控制与适配协议L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）、服务发现协议SDP（Service Discovery Protocol）、串口仿真协议或称线缆替换协议（RFCOM）和二进制电话控制协议TCS（Telephony Control protocol Spectocol）组成。L2CAP是蓝牙协议栈的核心组成部分，也是其它协议实现的基础。它位于基带之上，向上层提供面向连接和无连接的数据服务。它主要完成数据的拆装、服务质量控制、协议的复用、分组的分割和重组（Segmentation And Reassembly）及组提取等功能。L2CAP允许高达KB的数据分组。SDP是一个基于客户/服务器结构的协议。它工作在L2CAP层之上，为上层应用程序提供一种机制来发现可用的服务及其属性，而服务属性包括服务的类型及该服务所需的机制或协议信息。RFCOMM是一个仿真有线链路的无线数据仿真协议，符合ETSI标准的TS 07.10串口仿真协议。它在蓝牙基带上仿真RS-232的控制和数据信号，为原先使用串行连接的上层业务提供传送能力。TCS是一个基于ITU-T Q.931建议的采用面向比特的协议，它定义了用于蓝牙设备之间建立语音和数据呼叫的控制信令（Call Control Signalling），并负责处理蓝廾设备组的移动管理过程。

1.3 高端应用层

高端应用层位于蓝牙协议栈的最上部分。一个完整的蓝牙协议栈按其功能又可划分为四层：核心协议层（BB、LMP、LCAP、SDP）、线缆替换协议层（RFCOMM）、电话控制协议层（TCS-BIN）、选用协议层（PPP、TCP、TP、UDP、OBEX、IrMC、WAP、WAE）。而高端应用层是由选用协议层组成。选用协议层中的PPP（Point-to-Point Protocol）是点到点协议，由封装、链路控制协议、网络控制协议组成，定义了串行点到点链路应当如何传输因特网协议数据，它要用于LAN接入、拨号网络及传真等应用规范；TCP/IP（传输控制协议/网络层协议）、UDP（User Datagram Protocol对象交换协议）是三种已有的协议，它定义了因特网与网络相关的通信及其他类型计算机设备和外围设备之间的通信。蓝牙采用或共享这些已有的协议去实现与连接因特网的设备通信，这样，既可提高效率，又可在一定程度上保证蓝牙技术和其它通信技术的互操作性；OBEX（Object Exchange Protocol）是对象交换协议，它支持设备间的数据交换，采用客户/服务器模式提供与HTTP（超文本传输协议）相同的基本功能。该协议作为一个开放性标准还定义了可用于交换的电子商务卡、个人日程表、消息和便条等格式；WAP（Wireless Application Protocol）是无线应用协议，它的目的是要在数字蜂窝电话和其它小型无线设备上实现因特网业务。它支持移动电话浏览网页、收取电子邮件和其它基于因特网的协议。WAE(Wireless Application Environment)是无线应用环境，它提供用于WAP电话和个人数字助理PDA所需的各种应用软件。

2 蓝牙硬件的实现

蓝牙的技术规范除了包括协议部分外还包括蓝牙的应用部分（即应用模型）。在实现蓝牙的时候，一般是将蓝牙分成两部分来考虑，其一是软件实现部分，它位于HCI的上面，包括蓝牙协议栈上层的L2CAP、RFCOMM、SDP和TCS以及蓝牙的一些应用；其二是硬件实现部分，它位于HCI的下面，亦即上面提到的底层硬件模块，它已在图1中标示出。下面讨论蓝牙硬件模块的结构与性能。

蓝牙硬件模块由蓝牙协议栈的无线收发器（RF）、其带控制器（BB）和链路管理层（LMP）组成。目前大多数生产厂家都是利用片上系统技术SOC（System-On-Chip）将这三层功能模块集嵌在同一块芯片上。图2为单芯片蓝牙硬件模块结构图。它由微处理器（CPU）、无线收发器（RF）、基带控制器（BB）、静态随机存储器（SRAM）、闪存（Flash程序存储器）、通用异步收发器（UAST）、通用串行接口（USB）、语音编/解码器（CODEC）及蓝牙测试模块组成。下面分别叙述各部分的组成及功能。

（1）蓝牙基带控制器

蓝牙基带控制器是蓝牙硬件模块的关键模块。它主要由链路控制序列发生器、可编程程序列发生器、内部语音处理器、共享RAM裁器及定时链管理、加密/解密处理等功能单元组成。其主要功能：在微处理器模块控制下，实现蓝牙基带部分的所实时处理功能，包括负责对接收bit流进行符号定时提取的恢复；分组头及净荷的循环沉余度校验（CRC）；分组头及净荷的前向纠错码（FEC）处理和发送处理；加密和解密处理等。且能提供从基带控制器到其它芯片的接口（诸如数据路径RAM客户接口、微处理器接口、脉码调制接口（PCM）等。

（2）无线收发器模块

无线收发器是蓝牙设备的核心，任何蓝牙设备都要有无线收发器。它与用于广播的普通无线收发器的不同之处在于体积小、功率小（目前生产的蓝牙无线收发器的最大输出功率只有100mW、2.5mW、1mW三种）。它由锁相环、发送模块和接收模块等组成。发送部分包括一个倍频器，且直接使用压控振荡器调制（VCO）；接收部分包括混频器、中频器放大器、鉴频器以及低噪音放大器等。无线收发器的主要功能是调制/解调、帧定时恢复和跳频功能同时完成发送和接收操作。发送操作包括载波的产生、载波调制、功率控制及自动增益控制AGC；接收操作包括频率调谐至正确的载波频率及信号强度控制等。

（3）微处理器（CPU）

CPU负责蓝牙比特流调制和解调所的所有比特级处理，且还负责控制收发器和专用的语言编码和解码器。

（4）Flash存储器和SRAM

Flash存储器用于存放基带和链路管理层中的所有软件部分。SRAM作为CPU的运行空间，在作时把Flash中的软件调用SRAM中。

（5）语音编/解码器CODEC（Coder Decoder）

语音编/解码器CODEC由ADC（数模转换器）、模数转换口（ADC）、数字接口、编码模块等组成。主要功能：提供语音编码和解码功能，提供CVSD（Continuous Variable Slope Delta Modulation）即连续可变斜率增量调制及对数PCM（Pulse Coded Modulation）即脉码调制两种编码方式。

（6）蓝牙测试模块

它是由DUT（Device Under Test）即被测试模块与测试设备及计量设备组成。一般测试 设备被测试设备构成一个微微网，测试设备是主节点，DUT是从节点。测试设备对整个测试过程进行控制，其主要功能提供无线层和基带层的认证和一致性规范，同时还管理产品的生产和售后测试。

（7）UART（Universal Asynchronous Keceiver Transunitter）通用异步收发器和USB（Universal Serial Bus）通用串行接口。

功能：提供到HCI（Host Confroller Interface）即主机控制器接口传输层的物理连接，是高层与物理模块进行通信的通道。

3 TR0700单芯片介绍

RT0700单芯片是Transilica公司的蓝牙产品，其结构如图3所示。它把无线收发器与基带都集成到一块CMOS芯片上，替代传统的串行语音和通用串行接口电缆，为语音和数据业务提供无线连接。

3.1 结构及工作原理

RT0700单芯片由收发器、基带、语音编/解码器（CODEC）、带有4个可配置的8bit接口的8051微处理器、两个串行口双高性能的通用异步收发器（UART）、4KB的静态随机存储器（SRAM）、KB的Flash程序存储器等组成。

收发器由低噪放大器（LNA）、电平控制器（PA）、混频器、鉴频器、控制寄存器、发送滤波器、振荡器等组成。其工作原理是：来自接收天线上的信号经低噪放大器（LNA）放大后，送至多级滤波器，多级滤波器具有预选择功能，它把LAN的输出信号在2.4GHz的ISM频段内，去除负频率成分，输出适合进行下变频处理的信号。I、Q混频器把蓝牙频段的信号移频至低中频（IF）传输的调制信号。复合滤波器负责从下变频信号中滤除无用信号和噪声。鉴频器使用过采样技术从IF信号中取出蓝牙低调制指数信号；发送器由发送滤波器、频率合成器、功率放大器、振荡器、天线等组成。其工作原理是：发送滤波器是一个高斯数字滤波器，它对发送环Tx输入的数据进行数字过滤；振荡器的功能是驱动一个外部的晶体振荡器或者接受一个外部的时钟信号，向频率合成器提供一个低噪声的参考频率。功率放大器的主要功能是对频率合成器的输出功率放大到1mW左右，且对频率合成器起缓冲作用，减少负载变化对合成器的影响；发送天线：当使用差分输入的LNA时，它可以是一个低噪声的平衡双极天线；8051微处理器是一个8位的微处理器，它的主要功能是管理和实现蓝牙协议栈。它具有一增强的指令集、二级数据指针、扩展的SRAM和双UART。在TR0700中对一些重复性的操作诸如分组的组装和拆解、加密、地址编码/解码、纠错和同步等都由硬件来实现，这样能降低处理器的开销，有效地提高响应性能。TR0700除了8051微处理器本身所带有的一些特殊功能寄存器（SFR）外，还定义了一些新的特殊功能寄存器（SFR），它还引入了一些特殊的中断，如一个带有特殊保护的外部中断INT3等。RT0700的基带操作有三种模式可供选择：数据/地址、端口、测试。

3.2 基本功能及应用

TR0700单芯片的基本功能是：具有10m的传输距离及1Mbps的数据速率；支持79跳系统及支持点到点、点到多点连接，既可以是主节点又可以是从节点；支持GAP、TCS、手机、intercom剖面和串行口等；支持Hold、Sniff和Park功率节省模式；对LC、LM、L2CAP、SDP、RECOMM等蓝牙协议栈能完全实现；对于SCO链路支持HV1、HV2、HV3数据分组；对于ACL分组支持DM1、DM3、DM5、HD1、HD3、HD5和AUX1数据分组；具有用于测试和Flash内存升级的JTAG接口。TR0700单芯片的主要应用有：用于电信方面的峰房和无绳电话、调制解调器、手持设备、互联设备、小型监视器；用于计算机方面有键盘、鼠标、控制杆、扫描仪、监视器、打印机、桌面、笔记本计算机等。用于消费类的PDA、耳机、监视系统、游戏控制器和数字相机等。

蓝牙技术作为一个开放的无线应用标准，能通过无线连接方式将一定范围内的固定或移动设备连接起来，使人们能够更方面更快速地进行语音和数据的交换，这无疑将会成为未来无线通信领域的一个重要的研究方向。本文所描述的蓝牙技术硬件实现模式分析，只是蓝牙核心技术中的一小部分，随着蓝牙技术的不断完善与产品的成功开发，可以肯定，蓝牙技术将会逐渐进入我们的工作和生活，成为不可缺少的一部分。

蓝牙基带数据传输机理分析

摘要：对蓝牙协议体系中的基带数据传输机理进行分析，为进一步对蓝牙技术做全面深入的研究和开发应用奠定基础。在介绍了基本概念的基础上，重点对蓝牙设备连接、数据传输和安全机制等内容做了分析和讨论。

关键词：蓝牙 基带数据传输 设备连接

蓝牙（Bluetooth）是一种新型、开放、低成本、短距离的无线连接接技术，可取代短距离的电缆，实现话音和数据的无线传输。这种有效、廉价的无线连接技术可以方便地将计算机及外设、移动电话、掌上电脑、信息家电等设备连接起来，在它可达到的范围内使各种信息化移动便携设备都能实现无缝资源共享，还可通过无线局域网（Wireless LAN）与Internet连接，实现多媒体信息的无线传输。

蓝牙系统采用分散式（Scatter）结构，设备间以及从方式构成微微网（Piconet），支持点对点和点对多点通信。它采用GFSK调制，抗干扰性能好，通过快速跳频和短包技术来减少同频干扰，保证传输的可靠性。使用的频段为无需申请许可的2.4GHz的ISM频段。

蓝牙协议从协议来源大致分为四部分：核心协议、电缆替代协议（RECOMM）、电路控制协议和选用协议。其中核心协议是蓝牙专利协议，完全由蓝牙SIG开发，包括基带协议（BB）、连接管理协议（LMP）、逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）以及服务发现协议（SDP）。蓝牙协议从体系结构又可分为底层硬件模块、中间协议层和高端应用层三大部分，其中链路管理层（LM）、基带(BB)和射频层（RF）构成蓝牙的底层模块。由此可见，基带层是蓝牙协议的重要组成部分。本文主要对蓝牙技术中最重要的基带数据传输机理进行分析。

1 基带协议概述

图1给出蓝牙系统结构示意图。在蓝牙系统中，使用蓝牙技术将设备连接起来的网络称作微微网（Piconet），它由一个主节点（Master Unit）和多个从节点(Slave Unit)构成。主节点是微微网中用来同步其他节点的蓝牙设备，是连接过程的发起者，最多可与7个从节点同时维持连接。从节点是微微网中除主节点外的设备。两个或多个微微网可以连接组成散射网（Scatternet）。

图2给出蓝牙协议结构示意图。基带层位于蓝牙协议栈的蓝牙射频之上，并与射频层一起构成蓝牙的物理层。从本质上说，它作为一个链接控制器，描述了基带链路控制器的数字信号处理规范，并与链路管理器协同工作，负责执行象连接建立和功率控制等链路层的，如图3所示。基带收发器在跳频（频分）的同时将时间划分（时分），采用时分双工（TDD）工作方式（交替发送和接收），基带负责把数字信号写入并从收发器中读入数据。主要管理物理信道和链接，负责跳频选择和蓝牙数据及信息帧的传输、象误码纠错、数据白化、蓝牙安全等。基带也管理同步和异步链接，处理分组包，执行寻呼、查询来访及获取蓝牙设备等。

在蓝牙基带协议中规定，蓝牙设备可以使用4种类型的地址用于同场合和状态。其中，48位的蓝牙设备地址BD_ADDR（IEEE802标准），是蓝牙设备连接过程的唯一标准；3位的微微网激活节点地址AM_ADDR，用以标识微微网中激活成员，该地址3位全用作广播信息；8位的微微网休眠节点地址PM_ADDR，用以标识微微网中休眠的从节点。微微网接入地址AR_ADDR，分配给微微网中要启动唤醒过程的从节点。

当微微网主从节点通信时，彼此必须保持同步。同步所采用的时钟包括自身不调整也不关闭的本地设备时钟CLKN，微微网中主节点的系统时钟CLK以及为主节点时钟对从节点本地设备时钟进行周期更新以保持主从同步的补偿时钟CLKE。

与其它无线技术一样，蓝牙技术中微微网通过使用各种信道来实现数据的无线传输。其中，物理信道表示在79个或者23个射频信道上跳变的伪随机跳频序列，每个微微网的跳频序列是唯一的，并且由主节点的蓝牙设备地址决定；此外，蓝牙有5种传送不同类型信息的逻辑信道，它们分别为：

(1) LC信道：控制信道，用来传送链路层控制信息；

(2) LMC信道：链接管理信道，用在链路层传送链接管理信息；

(3) UA信道：用户信道，用来传送异步的用户信息；

(4) UI信道：用户信道，用来传送等时的用户信息；

(5) US信道：用户信道，用来传送同步的用户信息。

在蓝牙系统中，主从节点以时分双工（TDD）机制轮流进行数据传输。因此，在信道上又可划分为长度为625μs的时隙（Time Slot），并以微微网主节点时钟进行编号(0-2 27-1)，主从节点分别在奇、偶时隙进行数据发送。

2 蓝牙数据传输

蓝牙支持电路和分组交换，数据以分组形式在信道中传输，并使用流控制来避免分组丢失和拥塞。为确保分组包数据正确传输，还进行数据的白化和纠错，下面分别对这些传输机制进行分析。

2.1 蓝牙分组

分组包数据可以包含话音、数据或两者兼有。分组包可以占用多个时隙（多时隙分组）并且可以在下一个时隙继续发送，净荷(Payload)也带有16位的错误校验识别和校验（CRC）。有5种普通的分组类型，4个SCO分组包和7个ACL分组包。一般分组包格式如图4。

图3 基带层抽象

    其中，接入码(Access code)用来定时同步、偏移补偿、寻呼和查询。蓝牙中有三种不同类型的接入码：

(1) 信道接入码（CAC）：用来标识一个微微网；

(2) 设备接入码（DAC）：用作设备寻呼和它的响应；

(3) 查询接入码（IAC）：用作设备查询目的。

分组头（Header）包含6个字段，用于链路控制。其中AM_ADDR是激活成员地址，TYPE指明分组类型，FLOW用于ACL流量控制位，ARQN是分组包确认标识，SEQN用于分组重排的分组编号，HEC对分组头进行验。蓝牙使用快速、不编号的分组包确认方式，通过设置合适的ARQN值来区别确定是否接收到数据分组包。如果超时，则忽略这个分组包，继续发送下一个。

2.2 链接及流控制

蓝牙定义了两种链路类型，即面向连接的同步链路（SCO）和面向无连接的异步链路（ACL）。SCO链接是一个对称的主从节点之间点对点的同步链接，在预留的时间里发送SCO分组，属于电路交换，主要携带话音信息。主节点可同时支持3个SCO链接，从节点可同时支持2～3个链接SCO，SCO分组包不支持重传。SCO链路通过主节点LMP发送一个SCO建立消息来建立，该消息包含定时参数（Tsco和Dsco）。

ACL链接是为匹克网主节点在没有为SCO链接保留的时隙中，提供可以与任何从节点进行异步或同步数据交换的机制。一对主从节点只可以维持一个ACL链接。使用多个ACL分组时，蓝牙采用分组包重发机制来保证数据的完整性。ACL分组不指定确定从节点时，被认为是广播分组，每个从节点都接收这个分组。

蓝牙建议使用FIFO（先进先出）队列来实现ACL和SCO链接的发送和接收，链接管理器负责填充这些队列，而链接控制器负责自动清空队列。接收FIFO队列已满时则使用流控制来避免分组丢失和拥塞。如果不能接收到数据，接收者的链接控制器发送一个STOP指令，并插入到返回的分组头（Header）中，并且FLOW位置1。当发送者接收到STOP指示，就冻结它的FIFO队列停止发送。如果接收器已准备好，发送一个GO分组给发送方重新恢复数据传输，FLOW位置0。

2.3 数据同步、扰码和纠错

由于蓝牙设备发送器采用时分双工（TDD）工作机制，它必须以一种同步的方式来交替发送和接收数据。微微网通过主节点的系统时钟来实现同步，并决定其跳频序列中的相位。在微微网建立时，主节点的时钟传送给从节点，每个从点节给自己的本地时钟加上一个偏移量，实现与主节点的同步。在微微同生存期内，主节点不会调整自己的系统时钟。为了与主节点的时钟匹配，从节点会偏移量进行周期的更新。蓝牙时钟应该至少具有312μs的分首辨率。主节点分组发送的平均定时与理想的625ms时隙相比，偏移不不能超过20ppm，抖动（Jitter）应该少于1ms。

在分组数据送出去并且在FEC编码之前，分组头和净荷要进行扰码，使分组包随机化。接收数据分组包时，使用盯同的白化字进行去扰处理。

为了提高数据传输可靠性及系统抗干扰性，蓝牙数据传输机制采用三种纠错方式：1/3率FEC编码方式（即每一数据位重复3次）、冗余2/3率FEC编码方式（即用一个多项式发生器把10位码编码成15位码）以及数据自动请求重发方式（即发送方在收到接收方确认消息之前一直重发数据包，直到超时）。

图4 蓝牙分组包格式

3 蓝牙设备连接

蓝牙链接控制器工作在两种主要状态：待令（Standby）和连接（Connection）。在蓝牙设备中，Standby是缺省的低功率状态，只运行本地时钟且不与任何其他设备交互。在连接状态，主节点和从节点能交换分组包进行通信，所以要实现蓝牙设备之间的互相，彼此必须先建立连接。由于蓝牙使用的ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，会遇到各种各样的干扰源，所以蓝牙采用分组包快速确认技术和跳频方案来确保链路和信道的稳定。在建立连接和通信过程中使用跳频序列作为物理信道，跳频选择就是选择通信的信道。

3.1 跳频选择

跳频技术把频带分成若干个跳频信道（Hop Channel）。无线电收发器按一定的码序列（以产生随机数的方式）不断地从一个信道跳到另一个信道，并且收发双方都按这个规律才能通信并同步。跳频的瞬时带宽很窄，通过扩频技术展成宽频带，使干扰的影响最小。当一个设备被激活时，该设备被分配32个跳频频点，以后该设备就在这些跳频点上接收和发送信息。通用跳频选择方案由两部分组成，即选择一个序列并在跳频频点上映射该序列。对于每一情况，都需要从-主和主-从两种跳频序列。蓝牙系统中使用的跳频序列有如下几种：

(1) 呼叫跳频序列：在呼叫（Page）状态使用；

(2) 呼叫应答序列：在呼叫应答（Page Response）状态使用；

(3) 查询序列：在查询（Inquiry）状态使用；

(4) 查询应答序列：在查询应答（Inquiry Response）状态使用；

(5) 信道跳频序列：在连接（Connection）状态使用。

3.2 蓝牙连接建立

从待令状态到连接状态的过程就是连接建立过程。通常来讲，两个设备的连接建立过程如下：

首先，主节点使用GIAC和DIAC来查询范围内的蓝牙设备（查询状态）。如果任何附近的蓝牙设备正在监听这些查询（查询扫描状态），就发送它的地址和时钟信息后，从节点可以开始监听来自主节点的寻呼消息（寻呼扫描），主节点在发现附近的设备之间可以寻呼这些设备（寻呼状态），建立链接。在寻呼扫描的从设备被这个主节点寻呼后，就会以DAC（设备访问码）来响应（Slave response substate）。主节点在接收到从节点的响应后，便可以以送主节点的实时时钟、BD_ADDR、BCH奇偶位和设备类（FHS分组包），最后在从节点已经接收到这个FHS分组之后，进入连接状态。具体过程如图5。

由图5可见，在蓝牙连接建立的呼个不同阶段，主节点和从节点分别处于不同的状态，这些状态包括：

查询（Inquiry）：查询是主节点用来查找可监视区域中的蓝牙设备，以便通过收集来自从节点响应查询消息中得到该节点的设备地址和时钟，查询过程使用IAC；

查询扫描（Inquiry Scan）：蓝牙设备周期地监听来自其他设备的查询消息，以便自己能被发现。扫描过程中，设备可以监听普通查询接入码（GIAC）和特定查询接入码（DIAC）；

查询响应（Inquiry response）：从节点以FHS分组响应查询消息，它携带从节点的DAC、本地时钟等信息；

寻呼（Page）：主节点通过在不同的跳频序列发送消息，来激活一个从节点并建立连接，寻呼过程使用DAC；

寻呼扫描（Page Scan）：从节点周期性地在扫描窗间隔时间内唤醒自己，并监听自己的DAC，从节点每隔1.28s在这个扫描窗上根据寻呼跳频序列选择一个扫描频率；

从节点响应（Slave Response）：从节点在寻呼扫描状态收到主节点对自己的寻呼消息即进入响应状态，响应主设备的寻呼消息；

主节点响应（Master Response）：主节点在接收到从节点对它的寻呼消息的响应后，主节点发送一个FHS分组给从节点，如果从节点响应回答，主节点就进入连接状态。

3.3 连接状态

连接（connection）状态以主节点发送一个POLL分组开始，表示连接已经建立，此时分组包可以在主从节点之间来回发送。连接两端即主从节点都使用主节点的接入码和时钟，并且使用的跳频为信道跳频序列。即在连接建立后，主节点的蓝牙设备地址（BD_ADDR）决定跳频序列和信道接入码。在连接状态的蓝牙设备，可以有以下几个子状态：

Active:在这个模式下，主从节点都分别在信道通过监听，发送和接收分组包，并彼此保持同步；

Sniff:在这个模式下，从节点可以暂时不支持ACL分组，也就是ACL链路进入低能源sleep模式，空出资源，使得象寻呼、扫描等活动、信道仍可用；

Park：当从节点不必介入微微道，但仍想与信道维持同步，它能进入park（休眠）模式，此时具有很少的活动而处于低耗模式，从节点放弃AM_ADDR，而使用PM_ADDR。

4 蓝牙完全机制

如果允许利用蓝牙技术来实现无锁门或者在超市自动买单，则蓝牙完全性非常重要。蓝牙协议为用户进行数据传输提供了一套可靠的安全机制。首先，蓝牙基带部分在物理层为用户提供保护和信息加密机制，而在链路层通过同等鉴权并对用户信息进行加密。蓝牙设备在连接过程中采用查询/应答方式进行鉴权。一个设备发送一个口令或查询，而从设备则响应这个口令，这样可以防止盗用和误用。信息加密机制是在蓝牙设备连接建立后，采用序列密码加密算法对用户数据或信息进行加密，从而增加系统安全性。链路层共有四种参数来保证通信的安全，分别是蓝牙设备地址BD_ADDR、认证私钥、加密私钥和随机码RAND。如果用户有更高级别的保密要求，则可采用更为有效的传输层和应用层完全机制。总之，蓝牙完全机制的目的在于提供适当级别的完全保护。由于蓝牙完全是蓝牙一个非常复杂的问题，限于篇幅在此不做进一步的讨论。

本文主要对蓝牙技术中最基础和最重要的基带层进行了分析和讨论，为进一步对蓝牙技术进行全面深入的研究和开发应用奠定了基础。蓝牙技术主要应用于小范围的家庭和办公室信息传输系统和信息家电，因此对蓝牙技术进行开发和应用，具有重要的现实意义。尤其我国人口密集，具有广阔的应用前景，并将对我国国民经济建设产生重大影响。