一种蓝牙基带芯片实现的系统架构

摘要：蓝牙协议从V0．7到V4．0在安全性、通信速率、低功耗等方面得到增强，结构上有了很大改变。根据协议V4．0提出了一种蓝牙基带的体系架构。架构将功能和控制部件分开，功能相关部件融合，以数据处理流程为基础，设计模块的协同工作关系，并加入相关器、命令解析器、控制寄存器、标志状态寄存器实现与主机的通信。针对协议引入的AMP和低功耗工作模式，在BR／EDR模式上扩充模块功能并加入新的工作模块。使架构逻辑清晰、功能完善，易于软件模拟和硬件实现。
关键词：蓝牙；基带；体系结构；LM；LE；AMP

蓝牙作为短距离通信的一种解决方案，从1998年发布的蓝牙协议V0．7，到2009年协议V4．0的发布，蓝牙功能和结构有了很大变化，不断向着更安全、更低耗、更快速的方向发展。V2．0引入增强型数据传送方式(EDR)使蓝牙传送速率从1 Mb／s提升到3 Mb／s；V3．0融合了IEEE 802．11协议，使传送速率达到24 Mb／s；V4．0为降低蓝牙的功耗增加了低功耗工作模式。蓝牙基带是蓝牙协议最核心最稳定的部分。本文根据协议V4．0按功能对蓝牙基带模块进行架构，详细阐述蓝牙基带的工作原理，并扼要说明各协议版本的新特征对蓝牙基带构架带来的影响。

1 蓝牙基带划分以及各部分功能
基带主要完成编码、解码、加密、解密、分组处理和跳频频率的生成和选择，同时管理同步和异步链路、处理数据包、寻呼、查询、连接蓝牙设备、鉴权等。蓝牙基带协议是电路和分组交换的结合。图1是按功能划分的蓝牙基带的构架图。

1．1 打包器
蓝牙的功能是发送和接收数据，打包器是将上层数据按格式组合后通过物理层(PHY)发送出去，是核心功能部件。图2为基本速率包的格式。

图2中接入码用于同步、DC偏移补偿和标识；分组头包含链路控制消息；净荷是要传送的内容，为了提高传送信息的准确性，要经过白化、CRC校验、FEC编码等检错纠错过程，为了保证传送信息的安全性还要对信息进行加密。根据不同情况，包的具体结构是不同的，BR有15种包格式。V2．0引入了新的信息编码方式，新增加10种包的格式，包的格式也有所差异，但工作原理是类似的。低功耗工作模式和BR／EDR工作模式在基带和物理层可以共用，因此加入低功耗工作模式后打包器的结构会改变。打包器的工作细节如下：
(1)逻辑控制器根据不同情况控制打包的流程。根据不同的通信需求，数据包的类型大体分为：链路控制分组、ACL分组、SCO分组，分别传送控制信息、异步通信数据、同步通信数据。定时器是逻辑控制器的辅助模块，控制数据的处理次序及接入码、分组头、净荷各部分数据处理和融合的时间；EDR分组含有同步序列，FHS分组也含时钟信息，因此需要系统时钟信息。
(2)包的数据信息来源有两个：主机地址、包的类型、上次分组接收的状态、接收方的微微网内地址等信息从参量寄存器中取得，这些信息主要含在接入码和包头中；TX_BUF(发送缓存器)存储等待发送的数据，这些数据来源于上层部分。
(3)为了防止信息在传输过程中泄露，需要对信息进行加密，密钥产生器生成加密密钥，净荷和加密密钥在相关器中完成加密操作。
1．2 解包器
解包器的主要工作有：检验接收到的数据是否已损坏。把信息从接收到的分组中提取出来。解包器的工作细节和相关模块的协同工作关系为：
(1)逻辑控制器控制解码主体流程；参量寄存器提供相关工作信息，例如微微网的主机地址以确认信息发送方为网内成员，链路建立阶段也需要向参量寄存器写入随机数、扫描间隔等信息；定时器控制解码流程；密钥产生器提供解密密码。
(2)解码器首先检测接入码以确认接收信息是否为网内成员发送，然后进行CRC校验、BCH解码以检测分组是否已损坏，其次检测分组头信息以判断分组的状态。如果检测到分组已经损坏，将状态信息写入状态寄存器中，上层管理器和控制器通过检查寄存器的信息，决定重传或放弃分组(主要针对ACL数据传输)。分组的信息回馈给逻辑控制器，逻辑控制器根据分组的类型确定回复分组的格式以及时刻，在一定范围内控制重传和丢弃分组。
(3)将解码后的数据信息写入RX_BUF(接收缓存器)中传给主机，控制信息直接传给LM，LE，AMP管理器。
1．3 密钥产生器
密钥产生器的功能有：为鉴权产生各种密钥包括初始密钥、组合密钥、临时密钥(节点密钥在新协议中已被禁用)；启动加密配置后，产生加密密钥和解密密钥；随机数产生器。与相关模块的关系为：
(1)逻辑控制器。逻辑控制器的主要事务：启动鉴权模式后，根据通信双方的状况控制密钥产生器生成不同的链路密钥；确定加密密钥的长度；根据不同的工作模式确定产生加密密钥的类型，BR／EDR模式下密钥类型为SAFER+，SAFER+是基于现有的64位分组密码的SAFERSK128，仅使用了字节运算，LE模式下密钥类型为AES-128。
(2)ADDR，PIN等数据信息从参量寄存器中取得，生成链路密钥或更换密钥时需向参量寄存器写入新的密钥；定时器、系统时钟控制生成链路密钥的时序和速率。
(3)在相关器中完成密钥和分组数据的加密和解密操作。
1．4 跳频序列发生器
跳频通信是保障蓝牙通信安全的重要手段。通过控制发送数据所使用的频率在一个伪随机序列中跳变，达到预防信息泄露的效果。其工作相关部件有：
(1)控制寄存器和逻辑控制器共同控制跳频序列的模式是23跳还是79跳；频率改变的速率；以及是否采用自适应性跳频。在蓝牙协议的不断演进中，对跳频序列发生器构造产生较大影响的修改为：协议V2．0增加了AHS跳频模式，摒弃了传输质量不理想的信道；新加入的LE模式规定使用40跳模式，广播和数据传送使用不同信道。
(2)参数寄存器提供设备地址；系统时钟提供时钟信息；定时器决定频率跳变的时刻。
1．5 相关器
相关器的主要功能是进行相关操作。在鉴权时检验链路密钥是否正确，在打包解包时完成密钥和净荷数据的加解密操作。相关的控制信号有：时钟信号控制相关运算的速率；参数寄存器中存有查询／扫描间隔，和定时器一起决定鉴权时的相关启动时刻；逻辑控制器决定加解码的相关时刻。相关器将相关后的结果或送往底层发送出去或进行后续处理，并将相关的结果反馈给逻辑控制器处理或写入状态控制器中。
1．6 命令解析器、控制寄存器
命令解析器是基带和上层管理模块实现通信的部件，担当着翻译器的角色。它将LM，LE，AMP管理器的控制信息解析出来，并将控制信息和参数分别输入逻辑控制器和控制寄存器。控制寄存器里面存有分组的类型，管理器的种类等控制信息，它是逻辑控制器工作不可或缺的一部分，也减轻了逻辑控制器的负担。
1．7 缓存器
基带和主机或上层管理器交换数据是通过缓存器实现的，使数据不会因为传送速率的过快或过慢而丢失。缓存器共有接收和发送两种类型，每类又各有同步和异步两种。定时器和系统时钟控制缓存器的切换和数据的移入和移出；缓存器连接的两端分别是打包解包器和LM／LE ／AMP管理器或更上层接口；逻辑控制器控制数据的写入、清空和暂停接收；当缓冲器写满时，它通过将状态寄存器中相关标志位置位，通知控制器控制暂停接收或传送。
1．8 标志状态寄存器
标志状态寄存器是用来向上层管理器描述基带模块工作状态的部件。其主要作用有3个：
(1)标志缓存器的存储状态。管理器在缓存器满时，发送消息给信息发送设备或主机，通知对方减慢发送速度或通知主机暂缓传送数据。
(2)在ARQ模式下标志传送数据是否已超时。管理器将根据情况控制重发、放弃分组或断开连接。
(3)标志接收到的分组的状态。解包器检测到分组已经被污染或损坏，将置位标志寄存器的相关状态位。