蓝牙基带关键技术研究与实现

【摘 要】提出了一种蓝牙数据流控制与基带跳频的设计及VLSI实现方法。该设计利用状态机控制蓝牙基带处理数据，根据基带控制器不同的工作状态给出跳频算法中的控制信号，通过跳频状态机控制跳频选择模块的数据处理，实现跳频算法。该设计通过Versatile Platform开发板硬件验证。实测结果表明，该设计满足蓝牙协议对于数据流及跳频的要求。

【关键词】跳频序列 数据流控制器 换位操作 有限状态机

一、引言

蓝牙技术是目前使用较为广泛的一种短距离无线通信技术。它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，以低成本的短距离无线连接为基础，为固定的或移动的终端设备提供廉价的连接服务[1～2]。

本文利用有限状态机的理论实现资源共享，减少硬件资源的使用，从而降低开发成本。通过状态机控制蓝牙基带对数据的处理，根据基带控制器不同的工作状态给出蓝牙跳频算法中的控制信号，通过跳频状态机控制完成跳频选择模块的数据处理，实现蓝牙跳频选择算法，输出蓝牙跳频频率。设计通过FPGA硬件平台验证，成本低、可靠性高并可采用多点数据采集，既可作为独立的产品，也可方便集成到其他终端设备上。

二、蓝牙基带处理单元架构

蓝牙基带处理单元主要完成的是链路的控制、跳频以及基带数据的处理。本文提出的蓝牙基带模块实现方案包含接口模块为：蓝牙基带芯片与AMBA总线中APB总线的接口；蓝牙基带与处理音频芯片的接口；蓝牙基带芯片与射频芯片的接口；链路控制（Link_Ctrl）模块；数据流处理（Data_path）模块；跳频模块。

三、蓝牙基带关键技术

（一）基带数据流控制模块设计

数据流处理模块是对整个基带数据流进行控制，协调数据流处理各个模块之间工作，是蓝牙基带数据流处理的核心模块[3]。整个蓝牙数据流处理的状态机的迁移如图1所示。初始情况下，状态机处于IDLE状态；当蓝牙基带处于发送状态时，状态机从IDLE进入输出TX状态，根据数据分组选择跳转相应的状态，发送过程结束，状态机从TX跳到IDLE，再进入输入RX状态。

（二）蓝牙跳频算法研究与实现

蓝牙无线技术采用跳频扩频技术以更好地抵抗干扰和避免中途拦截。跳频系统载频受伪随机码控制，不断随机跳变，尽量减少频段内跳频碰撞的机会从而抵御大部分干扰。

本文主要研究基带跳频序列选择算法，从输入到特定跳频序列映射由选择算法实现。蓝牙跳频算法中，要进行两次加法操作、两次异或操作，及共七个阶段的蝶型运算、求模运算以及寄存器映射。这些运算是由状态机完成的，状态机将整个数据运算过程分为十四个阶段，加上空闲和准备状态，以及跳频序列映射共十七个状态，具体状态迁移过程如图2所示。

四、 FPGA硬件验证结果

FPGA验证平台采用ARM 926EJ-S内核处理器的Versatile Platform开发板，射频模块采用NORDIC推出的2.4GH射频芯片nRF2401。FPGA验证的仿真波形如图3所示。

五、结论

遵循IP核设计原则和流程，基于蓝牙协议规范v1.1版本，本文对蓝牙基带芯片中数据处理的关键技术进行了深入研究，提出了一种蓝牙基带数据流控制器和跳频算法的VLSI设计方法，并用硬件描述语言加以实现。FPGA测试表明设计功能稳定，电路结构简单，具备一定的通用性。

参考文献：

[1]WANG Haolin， XIN Minjun， LIU Jia， CHEN Caifen. Transmitting IPv6 packets over Bluetooth low energy based on BlueZ. International Conference on Advanced Communication Technology， ICACT， 72-77， 2013.

[2]OJAROUDI， NASSER. CPW-FED slot antenna for personal mobile communication service （PCS） and bluetooth applications. Microwave and Optical Technology Letters， 2013， 55（4）：734-737.

[3]Specification of the Bluetooth System.Version 1.1， Volume 1. 2001， 33～177.