基于射频／基带芯片实现蓝牙语音系统的设计

作者：周正;陈静 

爱立信（Ericsson）公司推出的蓝牙芯片ROK 101 007是一款适合于短距离无线通信的射频/基带芯片，集成度高､功耗小，完全兼容蓝牙协议Version 1.1，可嵌入任何需要蓝牙功能的设备中｡该芯片包括基带控制器､无线收发器､闪存等功能块，可提供高至HCI（主机控制接口）层的功能｡此外，该芯片还提供USB､UART和PCM接口，用于与主机通信;并且支持蓝牙语音和数据传输，输出功率满足蓝牙二级操作的要求｡

1 内部结构及各功能块介绍

ROK 101 007包含五个功能块：无线收发器（PBA 313 01/2）､基带控制器､闪存､电源管理模块､时钟，如图1所示｡

1.1 无线收发器PBA 313 01/2

PBA 313 01/2是一个工作在2.4~2.5GHz ISM频段的短距离微波频率射频收发器，使用GFSK调制，最大的TX&RX数据传输率为1Mbit/s｡能在可供使用的79个信道（2.402~2.480GHz）之间快速地跳频（1600个信道/s），通道带宽是1MHz，频率偏差在140kHz和175kHz之间｡满足蓝牙二级操作，最大输出功率是4dBm，不需要功率控制｡安装天线之后，传输距离可达10m，符合ISM频段的FCC和ETSI标准｡BA 313 01/2以Radio ASIC为基础，集成了环路滤波器､压控振荡器､天线滤波器､收发控制器､发送器和接收器等六个操作部件，如图1所示｡各部件功能如下：

①Radio ASIC完成信号的调制和解调｡

②环路滤波器､压控振荡器和Radio ASIC构成锁相环｡环路滤波器滤除Radio ASIC输出的误差电压的高频成份和噪声，用以保证环路所要求的性能，增加系统的稳定性｡

③收发控制器协调接收器（RX）和发送器（TX）的工作，用以保证蓝牙的全双工传输｡

④天线滤波器对射频信号进行带通滤波｡管脚ANT（T2）是天线接口，应连接阻抗为500Ω的天线｡

1.2 基带控制器

基带控制器是一个基于ARM7-Thumb的功能块，通过UART或USB接口控制无线收发器｡基带控制器负责处理底层的链路层功能，如调频序列的选择等｡

1.3 闪存

闪存以二进制码的格式存放蓝牙固件，可与基带控制器交换数据､地址和控制信号｡蓝牙固件包括链路管理器和主机控制接口（HCI）｡

链路管理器实现了链路管理协议（LMP），负责处理底层链路控制｡每个蓝牙设备都可以通过LMP与另一个蓝牙设备的链路管理器进行点对点的通信｡HCI为主机提供了访问基带控制器､链路管理器以及硬件状态和控制寄存器的命令接口｡主机通过HCI驱动程序提供的一系列命令控制蓝牙接口;蓝牙固件的HCI收到命令后，会产生事件返回给主机，用来指示接口的状态变化｡主机和HCI之间共有三类数据传输：

• HCI命令包 从主机发往蓝牙的HCI｡
• HCI事件包 从蓝牙的HCI发往主机｡
• HCI数据包 既可从主机发往HCI，也可从HCI发往主机，包括无连接（ACL）数据和同步连接（SCO）数据｡

HCI传输层定义了每一类数据如何封装以及如何通过接口进行复用｡ROK 101 007支持两种HCI传输层：UART传输层和USB传输层｡

1.4 电源管理模块

该模块提供芯片所需电源｡Vcc的典型值是3.3V｡

1.5 时钟

该模块内置频率为13MHz的时钟｡时钟由一个晶体振荡器产生，保证定时的精度在20ppm之内｡

2 芯片接口和主要管脚介绍

ROK 101 007与主机或其它设备互联时，有三种接口方式（参见图1）｡

2.1 USB接口

ROK 101 007的USB接口符合USB1.1规范，通过双向端口D+&D-，数据传输可达到12Mbps｡当使用USB接口与主机通信时，ROK 101 007是一个USB从设备｡与该接口有关的管脚有：

• D+（B1）&D-（B2） 用于数据传输｡
• Wake up（B4）&Detach（C1） 用于与笔记本电脑互联，可用来控制笔记本电脑的状态｡当主机处于掉电模式时，如果蓝牙设备收到建立连接的请求，Wake up信号就会“唤醒”主机｡而主机可通过Detach信号指示自己处于“挂起”模式｡

2.2 UART接口

ROK 101 007的UART接口符合工业标准16C450，支持以下波速率（单位：bits/s）：300，600，900，1200，1800，2400，4800，9600，19200，38400，57600，115200，230400和460800｡使用爱立信自定义的一条HCI命令：HCI_Ericsson_Set_Uart_Baud_Rate可改变UART接口的波速率｡该接口中有128字节的先入先出（FIFO）缓冲器｡ 与该接口有关的四个管脚为：

•TxD（B5）&RxD（A5） 用于收发数据｡
•RTS（A6）&CTS（B6） 用于数据流控制｡

2.3 PCM语音接口

标准的PCM语音接口采样速率为8kHz｡语音编码方式可采用CVSD（连续可变斜率增量调制）､μ律（8bit）或A律（8bit）｡考虑到编码的健壮性，应优先选择CVSD｡

与PCM语音接口有关的管脚信号有：

• CM_SYNC（A3） 设置PCM数据的采样速率｡
• CM_OUT（A2）&PCM_IN？A1 接收或发送语音编码信号｡这两个管脚信号的方向通过编程可调｡

3 北京邮电大学无线网络实验室蓝牙语音系统简介

利用ROK 101 007芯片开发了一套蓝牙语音系统，它能使现有的各种通信设备（手机或固定电话）与蓝牙耳机之间进行无线语音传输，从而实现蓝牙技术向现有设备的后向兼容｡

3.1 系统构成

该系统由蓝牙适配器和蓝牙耳机两部分构成｡蓝牙适配器与现有的通信设备（手机）相连，实现蓝牙与手机之间的信号转换;蓝牙耳机上有PTT按钮，用于接听和挂断来电｡蓝牙适配器和蓝牙耳机彼此之间可建立蓝牙无线链路，用于传输语音､数据或控制信号｡

系统工作流程如下：蓝牙适配器是主方，上电后进入查询模式，自动搜索周围的蓝牙设备（耳机）｡如果附近存在蓝牙耳机，主方发起连接请求，与之建立蓝牙数据连接（ACL连接）｡然后主方和从方进入待机模式｡当有来电或有电话拨出时，主方通知从方｡若从方决定接通通话，则由主方建立主方与从方之间的语音链路（SCO连接），并进入通话状态｡

关键术语定义：

主方 是指发起连接的一方（本系统中适配器是主方）;

从方 是指接收连接的一方（本系统中耳机是从方）

ACL 是指异步连接链路，用于蓝牙数据传输;

SCO 是指同步连接链路，用于蓝牙语音传输｡

3.2 硬件电路

蓝牙适配器和耳机的硬件结构基本相同，其电路框图如图2所示｡

硬件电路主要由三个模块组成：

单片机控制模块 包括AT89C4051AT89C4051芯片和信号灯系统，完成系统的初始化､蓝牙通信链路建立和监测手机来电等功能｡单片机通过串口与ROK 101 007连接｡

语音模块 包括MC145483MC145483语音编解码电路和耳机､麦克语音输入输出外围电路，完成语音的编解码功能｡MC145483是13位线性PCM 编码解码滤波器，可完成语音信号的数字化和重构，与ROK 101 007的PCM语音接口连接｡

蓝牙模块 包括爱立信点对多点蓝牙芯片和倒F天线｡芯片实现蓝牙通信的核心功能｡

3.3 软件设计

软件设计采用直接对HCI层进行编程｡由主机向HCI发命令，HCI收到命令后，会向下传递到LM层，由LM负责链路的建立､加密和鉴权;主机接收HCI发来的事件包，根据具体的事件采取相应的处理｡链路建立成功后，语音流使用连续可变斜率增量调制（CVSD）技术，获得高质量的音频编码｡

软件流程由四个功能模块组成，如图3所示｡

初始化模块：初始化蓝牙芯片及各状态变量;

事务调度模块：根据返回的事件状态参数对系统事务调度，跳转到返回事件处理模块中｡

蓝牙返回事件处理模块：各个子程分别处理蓝牙各个返回事件｡

中断模块：包括外部中断模块和串口中断模块｡外部中断模块判断手机是否有来电（仅主方需要）;串口中断模块负责蓝牙数据包和事件包的接收和发送｡

3.4 系统特点及使用效果

该语音系统最大的特点是实现了与现有通信设备的后向兼容｡用户无需更换现有的不具蓝牙功能的通信设备，就可享受到无线通信带来的便捷｡如何使现有设备与新技术产品之间保持平滑的过渡或者无缝连接是每个研发人员在开发产品时要着重考虑的问题｡正是基于以上考虑，才开发了这套蓝牙语音系统，旨在把蓝牙产品尽快地推向市场｡

经试用后，该系统话音清晰稳定（可达到市话标准），当有来电或有电话拨出时，主从设备之间切换迅速，用户感觉不到明显的时延差异｡该系统性价比高，有很好的市场推广前景｡