藍牙通信技術及應用資料

1、塔里木大學信息工程學院課程設計目 錄1.選題背景及意義:22.藍牙通信技術及藍牙系統(tǒng)介紹:22.1藍牙技術簡介:22.2藍牙協議(HCI)介紹:32.3藍牙系統(tǒng)結構簡介:42.4 MT1020A基帶控制器和PH2401無線收發(fā)器介紹:52.4.1 MT1020A基帶控制器的結構與原理52.4.2 PH2401無線收發(fā)器與嵌入式控制內核功能介紹:73.藍牙適配器介紹:84.藍牙技術指標和系統(tǒng)參數85.藍牙通信安全的技術實施95.1方案95.2方案96.藍牙技術的應用107.藍牙技術的展望11結束語：12參考文獻13前 言越來越多數字電子產品借著新科技提升本身的性能和實力。以目前發(fā)展的趨勢來看,未

2、來消費性電子產品將有兩個重要的發(fā)展指標,一是使用藍牙技術這類開放技術,以無線,局域網絡,可攜帶式設備成為網絡體的延伸。另一項則是內存規(guī)格的統(tǒng)一,加密以及輕量化應用。 無論您喜不喜歡,“藍牙計劃”這個名詞幾乎已到了無孔不入的境界,不論是商業(yè)財經臺還是一般大眾電視臺,都不只一次以上報導這個計劃的進展與新聞,話雖如此,但卻很少人了解此計劃的原意與來龍去脈,只知道有這樣一個計劃正如火如荼地進行,且聲勢浩大、似乎充滿無限希望?？深A見的,未來與藍牙計劃相關的新聞只會更多,因為計劃正一步步實現中。 藍牙(Bluetooth) 簡單講就是一種電信、計算機的無線傳輸技術。單從字面上很難了解藍牙是個怎么樣的技術,

3、他不像“GSM”一樣可以望文生義。簡單的說藍牙是一種無線網絡與消費性電子產品之通訊技術,透過無線傳輸和基頻模塊構成,其快速響應和跳頻系統(tǒng)的特性使無線傳輸更佳穩(wěn)定?？梢詰迷诟鞣N電子產品如:筆記型計算機、行動電話、數字相機和其它相類似電子產品等。正 文1.選題背景及意義:隨著微電子技術、通信技術和計算機技術的發(fā)展，計算機發(fā)展已經進入移動時代。以掌上電腦（PDA）為代表的移動式計算系統(tǒng)已日益普及。特別是工業(yè)高度發(fā)展的今天，對工業(yè)現場的通信與數據實時處理要求越來越高。在環(huán)境惡劣與布線不便的工業(yè)場所，設備間無線通訊與PDA輔助處理成了工業(yè)現場的最佳選擇。藍牙是一種低成本、高可靠性的無線傳輸技術，藍牙通

4、信是實現PDA與工業(yè)接入點通信的首要環(huán)節(jié)。藍牙技術是用微波無線通信技術取代數據電纜來完成點對點或點對多點短距離通信的一種新型無線通信技術。而藍牙芯片則是藍牙技術的基礎和關鍵。2.藍牙通信技術及藍牙系統(tǒng)介紹:2.1藍牙技術簡介:藍牙是一種支持設備短距離通信（一般10m內）的無線電技術。能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換。利用“藍牙”技術，能夠有效地簡化移動通信終端設備之間的通信，也能夠成功地簡化設備與因特網Internet之間的通信，從而數據傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。藍牙采用分散式網絡結構以及快跳頻和短包技術，支持點對點及點對多

5、點通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段。其數據速率為1Mbps。采用時分雙工傳輸方案實現全雙工傳輸。截止2009年4月，藍牙共有五個版本 V1.1/1.2/2.0/2.1/3.0。以通訊距離來在不同版本可再分為 Class A(1)/Class B(2)。2.2藍牙協議(HCI)介紹:藍牙SIG 開發(fā)了藍牙協議規(guī)范, 已發(fā)布版本包括1.0,1.0b,1.1 和2.0。藍牙協議規(guī)范允許開發(fā)人員開發(fā)基于可互操作的無線模塊和數據通信協議的交互式服務和應用, 目的是使符合該規(guī)范的各種應用之間能夠實現互操作。藍牙協議棧體系結構如圖 所示。藍牙1.0 標準由兩個文件組成。一

6、個是核心部分（FoundationCore），它規(guī)定的是設計標準。另一個叫協議子集部分（FoundationProfile），它規(guī)定的是運作性準則。藍牙協議可以分為4 層，即核心協議層、電纜替代協議層、電話控制協議層和采納的其它協議層。由于篇幅的限制，本文只介紹核心協議。藍牙的核心協議包括基帶（baseband）、鏈路管理（LMP）、邏輯鏈路控制與適應協議（SDP）四部分?；鶐樱核{牙采用跳頻擴頻技術，每秒1600 跳，從時間域看即每個時隙長度是625s，即每個時隙從79 個信道中選擇一個。藍牙既支持電路型數據，也支持分組型數據；既支持點對點連接，也支持點對多點連接。在一個微微網絡（Pieco

7、net）中，一個單元作為主節(jié)點，其他作為從節(jié)點，最多可以有7 個從節(jié)點；但是允許有更多從節(jié)點與主節(jié)點保持在Park 狀態(tài)。從節(jié)點對信道的接入由主節(jié)點控制。微微網絡在覆蓋上可以有重疊：每個網絡有各自的跳頻方案，一個網絡的主節(jié)點可以同時作為另一個網絡的從節(jié)點；一個從節(jié)點可以屬于多個網絡。主節(jié)點向從節(jié)點發(fā)送數據只能占用偶時隙，反之從節(jié)點只能在奇時隙才能向主節(jié)點發(fā)送數據。一個分組（Packet，實際上更習慣的說法是幀，因為在基帶層其地位類似于OSI的第2 層、部分涉及物理層，分組的確切用法在第3 層，但是藍牙基帶層規(guī)范中采用Packet術語）的傳送最多可以占用5 個時隙，在一個分組的傳送期內，維持初始

8、時隙所占用的信道而不再跳頻。鏈路管理（LMP）負責藍牙組件間連接的建立。通過連接的發(fā)起、交換、核實，進行身份鑒權和加密等安全方面的任務；通過協商確定基帶數據分組大??；它還控制無線單元的電源模式和工作周期，以及微微網內藍牙組件的連接狀態(tài)。邏輯鏈路控制與適應協議（L2CAP）位于基帶協議層之上，屬于數據鏈路層，是一個為高層傳輸和應用層協議屏蔽基帶協議的適配協議。其完成數據的拆裝、基帶與高協議間的適配，并通過協議復用、分用及重組操作為高層提供數據業(yè)務和分類提取，它允許高層協議和應用接收或發(fā)送長過64K 字節(jié)的L2CAP 數據包。業(yè)務搜尋協議（SDP）是極其重要的部分，它是所使用模式的基礎。通過SDH

9、，可以查詢設備信息、業(yè)務及業(yè)務特征，并在查詢之后建立兩個或多個藍牙設備間的連接。SDP支持3 種查詢方式：按業(yè)務類別搜尋、按業(yè)務屬性搜尋和業(yè)務瀏覽（browsing）。2.3藍牙系統(tǒng)結構簡介:MT1020基帶控制器和PH2401無線收發(fā)器分別由MITEL公司和PHILSAR公司提供,兩者配合可構成完整的低功耗的藍牙模塊,提供高至HCI（主機控制接口）層的功能。它們在藍牙系統(tǒng)中的位置如圖所示。MT1020基帶控制器負責藍牙基帶部分的功能,完成基帶以及鏈路的管理,包括對SCO（同步）和ACL（異步）連接方式的支持、差錯控制、物理層的認證與加密、鏈路管理等;PH2401實現數據的無線接收和發(fā)送;虛線

10、以上部分由用戶根據不同的應用需求來實現，分為用戶主機端和用戶PDA端。特別值得一提的是,在該藍牙模塊解決方案中,即將推出的改進型基帶控制器MT1020B可提供20K的用戶ROM,使用戶可以利用其內嵌的低功耗、高性能的32位ARM7TDMI內核,從而簡化用戶設計,實現最低楞耗、最高集成度的藍牙產品。2.4 MT1020A基帶控制器和PH2401無線收發(fā)器介紹:工業(yè)現場接入點通過傳感器將信號傳入MT1020A中再經PH2401無線收發(fā)器將信號發(fā)射給上位機處理，本章主要介紹基帶控制器與無線收發(fā)器的結構與原理。2.4.1 MT1020A基帶控制器的結構與原理MT1020A是MITEL公司推出的低成本、

11、微功耗藍牙基帶控制器芯片。它和其它的無線收發(fā)器一起可以構成一個完整的低功耗小于藍牙技術系統(tǒng)。MT1020A采用CMOS工藝制作,是低功耗無線通信應用系統(tǒng)中理想的藍牙基帶微處理器件。它的引腳排列如圖所示：MT1020A采用11×11球形焊珠陣列121腳SSBGA封裝形式。圖3為其引腳排列圖。MT1020由嵌入式微處理器和藍牙基帶外設組成,如圖4示。在該芯片中,系統(tǒng)內部時鐘可以低至5MHz、內核供電電壓為2V、硬件解碼、支持DMA傳輸,所有這些使得該芯片具有超低功耗。MT1020A的基帶外圍電路主要由主機接口、總線接口、藍牙鏈路控制器、12kB緩沖RAM、隊列管理器、音頻編解碼器以及音頻

12、和其它通信接口電路功能塊組成。該部分可用最小的軟硬件開銷完成各種重要的藍牙系統(tǒng)操作?；鶐鈬娐分械目偩€接口主要用于完成微處理器與基帶外圍電路之間的各種通信,而外圍電路內部各部分之間的數據傳輸則使用外圍電路中的BT總線來完成。鍵路控制器用來完成與外部無線收發(fā)器之間的通信,以實現數據發(fā)送時的裝配、加同步字、幀頭和CRC校驗以及數字接收時的解碼和檢錯等。緩沖RAM是專門存儲藍牙數據包和變量的存儲器,容量為12kB。隊列管理器可實現緩沖RAM與鏈路控制器以及主機接口與音頻或其它通信接口之間的DMA傳輸。音頻解碼器是一個全雙工的解碼器,內含麥克風放大器和耳機驅動器,其中的數字轉換器可進行線性PCM、A

13、律PCM、律PCM和CVSD間的相互轉換。2.4.2 PH2401無線收發(fā)器與嵌入式控制內核功能介紹:PH2401單片無線收發(fā)器用砷化鎵工藝制造,具有高集成度、超低功耗、體積小等優(yōu)點,專門優(yōu)化用于2.4GHz無線個人系統(tǒng),完全兼容藍牙規(guī)范“Bluetoooth V1.0”。 它工作于2.4GHz的ISM頻段,以每秒1600次的速度在79個頻道（2.402GHz-2.408GHz）上快速跳頻,最大位傳輸速率可達1Mbit/s。 PH2401采用調制指數為0.3的高斯頻移鍵控制（GFSK）調制方式,信道帶寬為1MHz,頻偏在140kHz-175kHz之間,滿足藍牙2級和3級操作, 送功率

14、可在-10dBm-+2dBm之間編程設定,發(fā)射范圍為10-100m。接收器由RF-IF下變頻器、自動增益控制(AGC)、濾波器、雙通道模/數轉換器及調制器組成。基帶控制器通過串行總線與PH2401接口。通過對其內部寄存器的讀寫實現跳頻、調諧等其它控制。工業(yè)現場，MT1020A和PH2401所組成的藍牙系統(tǒng)框圖如圖所示：藍牙系統(tǒng)的具體接線：本文用該芯片的串行異步收發(fā)器1，也就是E3（U1txd）：UART1數據發(fā)送端，和F3（U1rxd）：UART1數據接收端與工業(yè)現場接入點的傳感器信號或控制儀表相連;用藍牙外圍電路的無線接口J6（Ri_spi_misod）：（無線電串行接口數據輸入）L6（Ri

15、_spi_misod）：（無線電串行接口數據輸出）與PH1024無線收發(fā)器相連;用C11（Gpio<0>）：通用I/O口， D9（Gpio<1>）：通用I/O口， D10（Gpio<2>）：通用I/O口， E8（Gpio_<3>）：通用I/O口或芯片USB喚醒輸出引腳，這四個通用I/O端口連接一個液晶顯示屏，以顯示接收到的數據。其它再具體的接線本文限于篇幅不再贅述。3.藍牙適配器介紹:藍牙USB 適配器采用CSR BlueCore 04,可去市場購買，價格大概在三十到四十元左右，用時先向PC機里面裝相應的驅動程序，再將USB適配器插入PC機的US

16、B接口中即可與MT1020A端和PDA端進行通信。至此工業(yè)現場通信的三方通信硬件平臺的搭建已基本完成，三方通信框圖如圖所示：藍牙適配器圖片4.藍牙技術指標和系統(tǒng)參數 工作頻段 ISM頻段，2.4022.480GHz 雙工方式 全雙工，TDD時分雙工 業(yè)務類型 支持電路交換和分組交換業(yè)務 數據速率 1Mb/s 非同步信道速率 非對稱連接721/57.6kb/s，對稱連接432.6kb/s 同步信道速率 64Kb/s 功率 美國FCC要求0dbm(1mW)，其他國家可擴展為100mW 跳頻頻率數 79個頻點/MHz 跳頻速率 1600次/s 工作模式 PARK/HOLD/SNIFF 數據連接方式

17、面向連接業(yè)務SCO，無連接業(yè)務ACL 糾錯方式 1/3FEC，2/3FEC，ARQ 鑒權 采用反應邏輯算術 信道加密 采用0位、40位、60位密鑰 語音編碼方式 連續(xù)可變斜率調制CVSD 發(fā)射距離 一般可達1010cm，增加功率情況下可達100m5.藍牙通信安全的技術實施 5.1方案 使用算法建立雙方加密信息所用的密鑰，其工作流程如下。 在第一次通信中，當通信狀態(tài)已經確立后，發(fā)送方通過無線跳頻信號傳送給接收方。 接收方在收到之后，發(fā)送給發(fā)送方。 然后，發(fā)送方和接收方做以下計算： 由于雙方都具有了，當雙方作進一步通信時，它們可以對發(fā)送文件或數據作加密。 接收方可以使用同樣的得到明文。 方案有它的

18、缺點，即主要是對用戶沒有作身份認證。 5.2方案 方案可以有效地解決用戶的身份認證和密鑰的確立，其工作流程如下。 和是藍牙無線通信的使用者，和在同一個（電子證書機構）拿到自己的電子證書，其中包括自己的公鑰和有效等。它們也擁有的證書。 和通信時： 第一步，將自己的證書送給，驗證的證書。 第二步，確認的證書后，將自己的證書送給。 第三步，確認的證書后，用的公鑰加密。一個用于數據加密的對稱密鑰，它的運算如下： （） 其中，和是兩個大的素數，是模，是公鑰。 第四步，收到之后，做以下運算： 是的密鑰。 第五步，在第四步結束后，雙方都擁有，雙方的通信就可以用來加密（），由于只有和知道，所以加密后的只有和可

19、以解密。 該協議棧和安全管理系統(tǒng)可以建立在任何基于的藍牙設備上。它的目標是建立一套安全的藍牙通信機制。 在鑒別和認證的過程中，以前的一些藍牙設備可以實現設備的鑒別。該例子可以實現對用戶身份的鑒別，它還有以下其他優(yōu)點。 1.不僅可以對設備認證，還可以對用戶的身份認證，防止冒用和偽造設備。在或中調用函數（，）建立兩方共享的密鑰和實現對用戶的認證。 2.加密可靠和安全，加密方法靈活。加密功能可以由、或調用安全管理系統(tǒng)的（、）實現，由（、）實現解密。 3.數據的完整性。系統(tǒng)可以檢測干擾和傳輸信號的改變。在任何一級協議中，通過調用（、）可以發(fā)現無線信號所受到的干擾和改變。6.藍牙技術的應用居家:通過使用

20、 Bluetooth 技術產品，人們可以免除居家辦公電纜纏繞的苦惱。鼠標、鍵盤、打印機、膝上型計算機、耳機和場聲器等均可以在 PC 環(huán)境中無線使用，這不但增加了辦公區(qū)域的美感，還為室內裝飾提供了更多創(chuàng)意和自由（設想，將打印機放在壁櫥里）。此外，通過在移動設備和家用 PC 之間同步聯系人和日歷信息，用戶可以隨時隨地存取最新的信息。工作：Bluetooth 技術的用途不僅限于解決辦公室環(huán)境的雜亂情況。啟用Bluetooth的設備能夠創(chuàng)建自己的即時網絡，讓用戶能夠共享演示稿或其它文件，不受兼容性或電子郵件訪問的限制。Bluetoo

21、th設備能方便地召開小組會議，通過無線網絡與其它辦公室進行對話，并將干擦白板上的構思傳送到計算機。娛樂：玩游戲、聽音樂、結交新朋、與朋友共享照片越來越多的消費者希望能夠方便即時地享受各種娛樂活動，而又不想再忍受電線的束縛。Bluetooth無線技術是唯一一種能夠真正實現無線娛樂的技術。內置了Bluetooth技術的游戲設備，讓您能夠在任何地方與朋友展開游戲競技在地下通道、在飛機場或在起居室中。由于不需任何電線，玩家能夠輕松地發(fā)現對方甚至可以匿名查找然后開始令人愉快的游戲。7.藍牙技術的展望藍牙技術正在引起越來越廣泛的重視，在工業(yè)和家庭方面的應用也越來越多。它的安全性隨著它的應用將被使用者重視，

22、設計和規(guī)劃藍牙的安全已成為刻不容緩的任務。藍牙技術已經成為全球電信和電子技術發(fā)展的焦點。新開發(fā)的應用藍牙技術的產品也層出不窮。藍牙技術正在被廣泛地應用于計算機網絡、手機、和其他領域。 藍牙芯片是藍牙設備的基礎。西方國家已生產了基于不同技術（、絕緣體硅片等）的藍牙芯片。藍牙芯片的價格已在下降，在近兩年內將達到人們普遍可以接受的水平。一個基于藍牙技術的移動網絡終端可以由藍牙芯片及所嵌入的硬件設備、藍牙的核心協議棧、藍牙的支持協議棧和應用層協議部分組成。 西方國家的公司有的在芯片上開發(fā)（鏈接管理協議），有的將固化在芯片之中。國際標準規(guī)定了種藍牙設備的安全模式：模式，現有的大多數基于藍牙的設備，不采用

23、信息安全管理和不執(zhí)行安全保護及處理；模式， 藍牙設備采用信息安全管理并執(zhí)行安全保護和處理，這種安全機制建立在中和它之上的協議中；模式，藍牙設備采用信息安全管理和執(zhí)行安全保護及處理，這種安全機制建立在芯片中和（鏈接管理協議）。 鑒于藍牙芯片的現狀，采用模式將需要對現有的藍牙芯片進行重新設計并且要增加和增強芯片的功能，不利于降低芯片價格。西方藍牙技術的生產商都在考慮采用模式。 模式的安全機制允許在不同的協議上增強安全性?？梢栽鰪娝{牙安全性，可以增強藍牙設備撥號上網的安全性，可以增強傳輸和同步的安全性。 藍牙的安全機制支持鑒別和加密。鑒別和認證可以是雙向的，密鑰的建立是通過雙向的鏈接來實現的。鑒別和

24、加密可以在物理鏈接中實現（例如，基帶級），也可以通過上層的協議來實現。結束語：藍牙技術是一種低功耗的無線通信技術，其目標是取代現有的 PC 機、打印機、傳真機、移動電話等設備上的連接電纜，將人們從雜亂的電纜連線中解放出來，業(yè)界對此技術寄予了很高的期望。自從愛立信公司最先提出這一技術后，其發(fā)展十分迅速，可以說藍牙技術現在正成為通信業(yè)的一個熱點。藍牙技術能夠迅速發(fā)展，其優(yōu)勢在于它是全球統(tǒng)一的、開放性的技術標準，技術先進性與成本低廉統(tǒng)一折衷考慮。它可以將各種小型個人信息終端無線互連，形成個人化的移動信息網絡，這是符合人與人之間近距離通信要求的，因而具有廣闊的發(fā)展前景。藍牙技術正在引起越來越廣泛的重視，在工業(yè)和家庭方面的應用也越來越多。它的安全性隨著它的應用將被使用者重視，設計和規(guī)劃藍牙的安全已成為刻不容緩的任務。本文的目的旨在拋磚引玉，引發(fā)業(yè)內專家的討論和參考，將藍牙技術開發(fā)得更完善和更實用。藍牙通信技術一定會飛速發(fā)展,但仍然有一些應用的細節(jié)問題需要解決,如相鄰設備之間為防止信息誤傳和被截取,必須要用戶提前設置對應頻段等,嚴重影響藍牙技術產品面市的速度。但相信隨著一個不斷完善的發(fā)展過程,藍牙技術會為我們