蓝牙芯片ROK101 007在蓝牙语音系统中应用

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)&CM_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｡