藍牙芯片語音應用研究論文

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摘要：介紹了愛立信公司推出的藍牙芯片ROK101007的結構、工作原理及其在無線語音系統中的應用。

關鍵詞：藍牙主機控制接口

愛立信（Ericsson）公司推出的藍牙芯片ROK101007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，完全兼容藍牙協議Version1．1，可嵌入任何需要藍牙功能的設備中。該芯片包括基帶控制器、無線收發器、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據傳輸，輸出功率滿足藍牙二級操作的要求。

1內部結構及各功能塊介紹

ROK101007包含五個功能塊：無線收發器（PBA31301／2）、基帶控制器、閃存、電源管理模塊、時鐘，如圖1所示。

圖1芯片內部結構框圖和部分外部管理

1．1無線收發器PBA31301／2

PBA31301／2是一個工作在2．4～2．5GHzISM頻段的短距離微波頻率射頻收發器，使用GFSK調制，最大的TX＆RX數據傳輸率為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。PBA31301／2以RadioASIC為基礎，集成了環路濾波器、壓控振蕩器、天線濾波器、收發控制器、發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：

①RadioASIC完成信號的調制和解調。

②環路濾波器、壓控振蕩器和RadioASIC構成鎖相環。環路濾波器濾除RadioASIC輸出的誤差電壓的高頻成份和噪聲，用以保證環路所要求的性能，增加系統的穩定性。

③收發控制器協調接收器（RX）和發送器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接口控制無線收發器。基帶控制器負責處理底層的鏈路層功能，如調頻序列的選擇等。

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據、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）。

鏈路管理器實現了鏈路管理協議（LMP），負責處理底層鏈路控制。每個藍牙設備都可以通過LMP與另一個藍牙設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和控制寄存器的命令接口。主機通過HCI驅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，會產生事件返回給主機，用來指示接口的狀態變化。主機和HCI之間共有三類數據傳輸：

·HCI命令包從主機發往藍牙的HCI。

·HCI事件包從藍牙的HCI發往主機。

·HCI數據包既可從主機發往HCI，也可從HCI發往主機，包括無連接（ACL）數據和同步連接（SCO）數據。

HCI傳輸層定義了每一類數據如何封裝以及如何通過接口進行復用。ROK101007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

該模塊內置頻率為13MHz的時鐘。時鐘由一個晶體振蕩器產生，保證定時的精度在20ppm之內。

2芯片接口和主要管腳介紹

ROK101007與主機或其它設備互聯時，有三種接口方式（參見圖1）。

2．1USB接口

ROK101007的USB接口符合USB1．1規范，通過雙向端口D＋＆D－，數據傳輸可達到12Mbps。當使用USB接口與主機通信時，ROK101007是一個USB從設備。與該接口有關的管腳有：

·D＋（B1）＆D－B2用于數據傳輸。

·Wakeup（B4）＆DetachC1用于與筆記本電腦互聯，可用來控制筆記本電腦的狀態。當主機處于掉電模式時，如果藍牙設備收到建立連接的請求，Wakeup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。

2．2UART接口

ROK101007的UART接口符合工業標準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字節的先入先出（FIFO）緩沖器。

與該接口有關的四個管腳為：

·TxD（B5）＆RxD（A5）用于收發數據。

·RTS（A6）＆CTS（B6）用于數據流控制。

2．3PCM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（連續可變斜率增量調制）、μ律（8bit）或A律8bit。考慮到編碼的健壯性，應優先選擇CVSD。

圖3系統軟件模塊結構

與PCM語音接口有關的管腳信號有：

·PCM＿SYNC（A3）設置PCM數據的采樣速率。

·PCM＿OUT（A2）＆PCM＿INA1接收或發送語音編碼信號。這兩個管腳信號的方向通過編程可調。

3北京郵電大學無線網絡實驗室藍牙語音系統簡介

利用ROK101007芯片開發了一套藍牙語音系統，它能使現有的各種通信設備（手機或固定電話）與藍牙耳機之間進行無線語音傳輸，從而實現藍牙技術向現有設備的后向兼容。

3．1系統構成

該系統由藍牙適配器和藍牙耳機兩部分構成。藍牙適配器與現有的通信設備（手機）相連，實現藍牙與手機之間的信號轉換；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、數據或控制信號。

系統工作流程如下：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備（耳機）。如果附近存在藍牙耳機，主方發起連接請求，與之建立藍牙數據連接（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。若從方決定接通通話，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。關鍵術語定義：

主方是指發起連接的一方（本系統中適配器是主方）；

從方是指接收連接的一方（本系統中耳機是從方）

ACL是指異步連接鏈路，用于藍牙數據傳輸；

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構基本相同，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，完成系統的初始化、藍牙通信鏈路建立和監測手機來電等功能。單片機通過串口與ROK101007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字化和重構，與ROK101007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。芯片實現藍牙通信的核心功能。

3．3軟件設計

軟件設計采用直接對HCI層進行編程。由主機向HCI發命令，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；主機接收HCI發來的事件包，根據具體的事件采取相應的處理。鏈路建立成功后，語音流使用連續可變斜率增量調制（CVSD）技術，獲得高質量的音頻編碼。

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變量；

事務調度模塊：根據返回的事件狀態參數對系統事務調度，跳轉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據包和事件包的接收和發送。

3．4系統特點及使用效果

該語音系統最大的特點是實現了與現有通信設備的后向兼容。用戶無需更換現有的不具藍牙功能的通信設備，就可享受到無線通信帶來的便捷。如何使現有設備與新技術產品之間保持平滑的過渡或者無縫連接是每個研發人員在開發產品時要著重考慮的問題。正是基于以上考慮，才開發了這套藍牙語音系統，旨在把藍牙產品盡快地推向市場。

經試用后，該系統話音清晰穩定（可達到市話標準），當有來電或有電話撥出時，主從設備之間切換迅速，用戶感覺不到明顯的時延差異。該系統性價比高，有很好的市場推廣前景。