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藍牙芯片ROK 101 007在語音系統(tǒng)中的應用
摘要：介紹了愛立信公司推出的藍牙芯片ＲＯＫ １０１ ００７的結(jié)構(gòu)、工作原理及其在無線語音系統(tǒng)中的應用。
關(guān)鍵詞：藍牙 主機控制接口
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。
圖1 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和部分外部管理
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。ＰＢＡ 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�；鶐Э刂破髫撠熖幚淼讓拥逆溌穼庸δ�，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）。
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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?�？紤]到編碼的健壯性，應優(yōu)先選擇ＣＶＳＤ。
圖3 系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)
與ＰＣＭ語音接口有關(guān)的管腳信號有：
·ＰＣＭ＿ＳＹＮＣ（Ａ３） 設(shè)置ＰＣＭ數(shù)據(jù)的采樣速率。
·ＰＣＭ＿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ＡＴ８９Ｃ４０５１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ＭＣ１４５４８３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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