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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的結構、工作原理及其在無線語音系統(tǒng)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，完全兼容藍牙協議Ｖｅｒｓｉｏｎ １．１，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(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
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 芯片內部結構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。ＰＢＡ ３１３ ０１／２以Ｒａｄｉｏ ＡＳＩＣ為基礎，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完成信號的調制和解調。
②環(huán)路濾波器、壓控振蕩器和Ｒａｄｉｏ ＡＳＩＣ構成鎖相環(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)控制器協調接收器（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。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）。
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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(tài)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(tài)變化。主機和ＨＣＩ之間共有三類數據傳輸：
·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數據包 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。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
ＲＯＫ １０１ ００７與主機或其它設備互聯時，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－，數據傳輸可達到１２Ｍｂｐｓ。當使用ＵＳＢ接口與主機通信時，ＲＯＫ １０１ ００７是一個ＵＳＢ從設備。與該接口有關的管腳有：
·Ｄ＋（Ｂ１）＆Ｄ－?Ｂ２? 用于數據傳輸。
·Ｗａｋｅ ｕｐ（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(tài)。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，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。
與該接口有關的四個管腳為：
·ＴｘＤ（Ｂ５）＆ＲｘＤ（Ａ５） 用于收發(fā)數據。
·ＲＴＳ（Ａ６）＆ＣＴＳ（Ｂ６） 用于數據流控制。
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)可變斜率增量調制）、μ律（８ｂｉｔ）或Ａ律?８ｂｉｔ?。考慮到編碼的健壯性，應優(yōu)先選擇ＣＶＳＤ。
圖3 系統(tǒng)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(fā)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(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(tǒng)構成
該系統(tǒng)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(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(tài)。 關鍵術語定義：
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(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字化和重構，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(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；主機接收ＨＣＩ發(fā)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(xù)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(tài)變量；
事務調度模塊：根據返回的事件狀態(tài)參數對系統(tǒng)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(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(fā)人員在開發(fā)產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)，旨在把藍牙產品盡快地推向市場。
經試用后，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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