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蓝牙芯片ROK 101 007在语音系统中的应用
摘要：介绍了爱立信公司推出的蓝牙芯片ＲＯＫ １０１ ００７的结构、工作原理及其在无线语音系统中的应用。
关键词：蓝牙 主机控制接口
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。
图1 芯片内部结构框图和部分外部管理
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。ＰＢＡ 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）。
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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。
图3 系统软件模块结构
与ＰＣＭ语音接口有关的管脚信号有：
·ＰＣＭ＿ＳＹＮＣ（Ａ３） 设置ＰＣＭ数据的采样速率。
·ＰＣＭ＿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ＡＴ８９Ｃ４０５１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ＭＣ１４５４８３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。
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