蓝牙通信协议及蓝牙跳频通信系统仿真

PAGEPAGE1蓝牙通信协议(适合于蓝牙开发工程师)蓝牙协议栈

蓝牙技术规范的目的是使符合该规范的各种应用之间能够实现互操作。互操作的远端设备需要使用相同的协议栈，不同的应用需要不同的协议栈。但是，所有的应用都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层。

完整的蓝牙协议栈如图1所示，不是任何应用都必须使用全部协议，而是可以只使用其中的一列或多列。图1显示了所有协议之间的相互关系，但这种关系在某些应用中是有变化的。

完整的协议栈包括蓝牙专用协议（如连接管理协议LMP和逻辑链路控制应用协议L2CAP）以及非专用协议（如对象交换协议OBEX和用户数据报协议UDP）。设计协议和协议栈的主要原则是尽可能利用现有的各种高层协议，保证现有协议与蓝牙技术的融合以及各种应用之间的互操作，充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统。蓝牙技术规范的开放性保证了设备制造商可以自由地选用其专用协议或习惯使用的公共协议，在蓝牙技术规范基础上开发新的应用。

蓝牙协议体系中的协议

蓝牙协议体系中的协议按SIG的关注程度分为四层：

核心协议：BaseBand、LMP、L2CAP、SDP；

电缆替代协议：RFCOMM；

电话传送控制协议：TCS-Binary、AT命令集；

选用协议：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。

除上述协议层外，规范还定义了主机控制器接口（HCI），它为基带控制器、连接管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。在图1中，HCI位于L2CAP的下层，但HCI也可位于L2CAP上层。

蓝牙核心协议由SIG制定的蓝牙专用协议组成。绝大部分蓝牙设备都需要核心协议（加上无线部分），而其他协议则根据应用的需要而定。总之，电缆替代协议、电话控制协议和被采用的协议在核心协议基础上构成了面向应用的协议。

1．蓝牙核心协议

-·基带协议

基带和链路控制层确保微微网内各蓝牙设备单元之间由射频构成的物理连接。蓝牙的射频系统是一个跳频系统，其任一分组在指定时隙、指定频率上发送。它使用查询和分页进程同步不同设备间的发送频率和时钟，为基带数据分组提供了两种物理连接方式，即面向连接（SCO）和无连接（ACL），而且，在同一射频上可实现多路数据传送。ACL适用于数据分组，SCO适用于话音以及话音与数据的组合，所有的话音和数据分组都附有不同级别的前向纠错（FEC）或循环冗余校验（CRC），而且可进行加密。此外，对于不同数据类型（包括连接管理信息和控制信息）都分配一个特殊通道。

可使用各种用户模式在蓝牙设备间传送话音，面向连接的话音分组只需经过基带传输，而不到达L2CAP。话音模式在蓝牙系统内相对简单，只需开通话音连接就可传送话音。

·连接管理协议（LMP）

该协议负责各蓝牙设备间连接的建立。它通过连接的发起、交换、核实，进行身份认证和加密，通过协商确定基带数据分组大小。它还控制无线设备的电源模式和工作周期，以及微微网内设备单元的连接状态。

·逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）

该协议是基带的上层协议，可以认为它与LMP并行工作，它们的区别在于，当业务数据不经过LMP时，L2CAP为上层提供服务。L2CAP向上层提供面向连接的和无连接的数据服务，它采用了多路技术、分割和重组技术、群提取技术。L2CAP允许高层协议以64k字节长度收发数据分组。虽然基带协议提供了SCO和ACL两种连接类型，但L2CAP只支持ACL。

·服务发现协议（SDP）

发现服务在蓝牙技术框架中起着至关紧要的作用，它是所有用户模式的基础。使用SDP可以查询到设备信息和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接。

2．电缆替代协议(RFCOMM)

RFCOMM是基于ETSI-07.10规范的串行线仿真协议。它在蓝牙基带协议上仿真RS-232控制和数据信号，为使用串行线传送机制的上层协议（如OBEX）提供服务。

3．电话控制协议

·二元电话控制协议（TCS-Binary或TCSBIN）

该协议是面向比特的协议，它定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制信令，定义了处理蓝牙TCS设备群的移动管理进程。基于ITUTQ.931建议的TCSBinary被指定为蓝牙的二元电话控制协议规范。

·AT命令集电话控制协议

SIG定义了控制多用户模式下移动电话和调制解调器的AT命令集，该AT命令集基于ITUTV.250建议和GSM07.07，它还可以用于传真业务。

4．选用协议

·点对点协议（PPP）

在蓝牙技术中，PPP位于RFCOMM上层，完成点对点的连接。

·TCP/UDP/IP

该协议是由互联网工程任务组制定，广泛应用于互联网通信的协议。在蓝牙设备中，使用这些协议是为了与互联网相连接的设备进行通信。

·对象交换协议（OBEX）

IrOBEX(简写为OBEX)是由红外数据协会（IrDA）制定的会话层协议，它采用简单的和自发的方式交换目标。OBEX是一种类似于HTTP的协议，它假设传输层是可*的，采用客户机/服务器模式，独立于传输机制和传输应用程序接口（API）。

电子名片交换格式（vCard）、电子日历及日程交换格式（vCal）都是开放性规范，它们都没有定义传输机制，而只是定义了数据传输格式。SIG采用vCard/vCal规范，是为了进一步促进个人信息交换。

·无线应用协议（WAP）

该协议是由无线应用协议论坛制定的，它融合了各种广域无线网络技术，其目的是将互联网内容和电话传送的业务传送到数字蜂窝电话和其他无线终端上。

用户模式及协议栈

1．文件传输模式

文件传输模式提供两终端间的数据通信功能，可传输后缀为.xls、.ppt、.wav、.jpg和.doc的文件（但并不限于这几种），以及完整的文件夹、目录或多媒体数据流等，提供远端文件夹浏览功能。文件传输协议栈如图2所示。

2．因特网网桥模式

这种用户模式可通过手机或无线调制解调器向PC提供拨号入网和收发传真的功能，而不必与PC有物理上的连接。拨号上网需要两列协议栈（不包括SDP），如图3所示。AT命令集用来控制移动电话或调制解调器以及传送其他业务数据的协议栈。传真采用类似协议栈，但不使用PPP及基于PPP的其他网络协议，而由应用软件利用RFCOMM直接发送。

3．局域网访问模式

该用户模式下，多功能数据终端(DTs)经局域网访问点(LAP)无线接入局域网，然后，DTs的操作与通过拨号方式接入局域网的设备的操作一样，其协议栈如图4所示。

4．同步模式

同步用户模式提供设备到设备的个人资料管理(PIM)的同步更新功能，其典型应用如电话簿、日历、通知和记录等。它要求PC、蜂窝电话和个人数字助理(PDA)在传输和处理名片、日历及任务通知时，使用通用的协议和格式。其协议栈如图5所示，其中同步应用模块代表红外移动通信（IrMC）客户机或服务器。

5.一机三用电话模式

手持电话机有三种使用方法：第一，接入公用电话网，作为普通电话使用；第二，作为不计费的内部电话使用；第三，作为蜂窝移动电话使用。无线电话和内部电话使用相同的协议栈；语音数据流直接与基带协议接口，不经过L2CAP层，如图6所示。

6.头戴式设备模式

使用该模式，用户打电话时可自由移动。通过无线连接，头戴式设备通常作为蜂窝电话、无线电话或PC的音频输入输出设备。头戴式设备协议栈如图7所示，语音数据流不经过L2CAP层而直接接入基带协议层。头戴式设备必须能收发并处理AT命令。目录一、实训目的····································2二、实训内容摘要································2三、正文········································2第一部分（1）、实训的原理································2（2）、模型设计以及对模型的解释··················4（3）、设计和实验结果解释························8第二部分（1）、实例二仿真································10（2）、实例三仿真································11四、设计体会····································13五、参考文献····································14一、实训目的目的是使学生将通信原理的基本理论与通信的工程应用紧密结合起来。通过该课程设计，要求学生能运用通信原理的理论和Simulink仿真工具来设计通信系统，计算通信系统的性能指标。二、实训内容摘要扩频技术是将要发送的信息频谱拓宽到一个很宽的带宽上进行发射，接收端利用相关接收的原理将其带宽压缩，恢复成原来的窄带信号。通常的实现方法是将待扩频的信号与一个扩频函数（一般是伪随机编码信号）在时域相乘，来扩展信号的频谱。扩频系统有两个显著的特征：(1)传输带宽远大于被传送的原始信号带宽；(2)传输带宽主要由扩频函数决定。跳频技术是扩频技术的一种。跳频，即载波频率在伪随机码控制下随机跳变，因此跳频系统可以看做是载频按照一定规律变化的多频频移键控（MFSK）。蓝牙跳频技术，是实现蓝牙扩谱的关键技术。ISM频段是对所有无线电系统都开放的频段，使用ISM频段的系统容易受干扰。蓝牙跳频系统，使得系统所传输的信号工作在一个很宽的频带上，传统的窄带干扰只能影响到扩频信号的一小部分，这使得信号不容易受到其它无线电波和信号的影响，从而更加稳定。另外，如果在一个频道上遇到干扰，就可以迅速跳到可能没有干扰的另一个频道上工作，从而加强了信号的可靠性和安全性。蓝牙跳频通信系统包括：信号传输部分、信号接收部分、频谱分析部分、误码分析部分。蓝牙跳频通信系统信号传输主要包含两个部分：信号序列产生和在跳频频率上映射该序列。蓝牙跳频通信系统信号接收部分利用相同的随机跳频序列将接收信号进行解调，按照预处理的逆序进行解调，包含FH-CPMDemulator子系统和Dis-assemblePacket子系统两个子系统。三、正文第一部分：（1）、实验系统的原理扩频技术是将要发送的信息频谱拓宽到一个很宽的带宽上进行发射，接收端利用相关接收的原理将其带宽压缩，恢复成原来的窄带信号。通常的实现方法是将待扩频的信号与一个扩频函数（一般是伪随机编码信号）在时域相乘，来扩展信号的频谱。扩频系统有两个显著的特征：(1)传输带宽远大于被传送的原始信号带宽；(2)传输带宽主要由扩频函数决定。跳频技术是扩频技术的一种。跳频，即载波频率在伪随机码控制下随机跳变，因此跳频系统可以看做是载频按照一定规律变化的多频频移键控（MFSK）。发送端在时钟控制下，伪码发生器产生伪随机序列去控制频率合成至生成跳频载波系列，称做跳频图案。跳频通信系统的原理框图见上图。图中接收端的预调制滤波器是一种中心频率随信号跳频式样而同步跳变的窄带滤波器（通频带允许所需信号通过），目的在于增加接收机的时间选择性，减少强干扰对接收机可能引起的阻塞现象。接收的跳频载波序列若与本地产生的跳频序列图案一致，则经混频后可得到一个固定的中频信号，再经解调获得输出。若外来跳频图案与本地图案不一致，则得不到一个固定的中频信号，解调后只是一些噪声而得不到有用的输出。因此时间同步是跳频通信的关键技术。调制方式可根据跳频信号的特征进行选择。在跳频系统中不宜采用对相位要求严格的调制方式。因为在跳频通信系统中，接收机的本地载波要做到与外来信号的载波在相位上保持相干是很困难的。因此，宜用非相干检测方式。频率合成器是跳频通信系统的重要组成部分。频率合成器的性能将制约跳频速率。对频率合成器的要求是跳频速率快、杂散电平低和功耗小。频率合成器进行频率跳变时，一般有2个阶段：一个是过渡期（暂态时间），一个是滞留期（稳态时间）。要求过渡期尽量的要短，以实现高速转换。蓝牙工作在全球通用的2.4GHzISM(即工业、科学、医学）频段。蓝牙的数据速率为1Mb/s。时分双工传输方案被用来实现全双工传输。使用IEEE802.15协议。蓝牙跳频技术，是实现蓝牙扩谱的关键技术。由于2.4GHZISM频段是对所有无线电系统都开放的频段，而蓝牙系统不是工作在该频段的第一系统，大多数无线局域网、微波炉、高压钠灯的等军用和民用无线电波也在此频率范围，因此使用ISM频段的系统容易受干扰。蓝牙跳频系统通过使用扩频的方式，使得系统所传输的信号工作在一个很宽的频带上，传统的窄带干扰只能影响到扩频信号的一小部分，这使得信号不容易受到其它无线电波和信号的影响，从而更加稳定。另外，如果在一个频道上遇到干扰，就可以迅速跳到可能没有干扰的另一个频道上工作，从而加强了信号的可靠性和安全性。（2）、模型设计以及对模型的解释蓝牙跳频通信系统仿真模型图如下所示：图2蓝牙跳频通信系统仿真模型图蓝牙跳频通信系统包括四个部分：蓝牙跳频通信系统信号传输部分、蓝牙跳频通信系统信号接收部分、蓝牙跳频通信系统频谱分析部分、蓝牙跳频通信系统误码分析部分。A、蓝牙跳频通信系统信号传输部分图3蓝牙跳频通信系统信号传输部分蓝牙跳频通信系统信号传输主要包含两个部分：信号序列产生和在跳频频率上映射该序列。信号产生采用Bernoulli随机信号生成模块产生帧采样率为10、采样时间为1.5e-6的随机信号。信号经预处理在1600/s的跳频上进行映射。图4FH-CPMModulaor子系统跳频调制方式采用FH-CPM制式调制，输入int1将原始信号进行CPM调制得到脉冲长度为1的Binary符号序列，在另一输入端将跳频速率为1600/s的跳频信号进行M-FSK调制，得到-39MHZ~39MHZ的跳频序列，将二者相乘得到输出信号进入传输信道。B、蓝牙跳频通信系统信号接收部分图5蓝牙跳频通信系统信号接收部分蓝牙跳频通信系统信号接收部分利用相同的随机跳频序列将接收信号进行解调，按照预处理的逆序进行解调，包含FH-CPMDemulator子系统和Dis-assemblePacket子系统两个子系统。FH-CPMDemulator子系统如图6所示，图6FH-CPMDemulator子系统输入int1是经传输信道接收的扩频信号。输入int2是随机序列产生器输入的随机跳频序列，该序列与发送端保持同步，经M-FSK调制后与int1中的扩频信号相乘再进行M-FSK解调，得到输出out1。Dis-assemblePacket子系统如图7所示，图7Dis-assemblePacket子系统由于经信道传输产生延迟，因此在Dis-assemblePacket子系统中增加延迟IntegerDelay,采样延迟设置为10。C、蓝牙跳频通信系统频谱分析部分图8蓝牙跳频通信系统频谱分析部分如图8所示，信号通过选择器Selector，在频谱仪SpectrumScope中显示出来。D、蓝牙跳频通信系统误码分析部分图9蓝牙跳频通信系统误码分析部分如图9所示，将传输信号Int1和接收信号Int2送入ErrorRateCalculation(差错校验)进行检测，并将结果使用Display模块显示出来。（3）、设计和实验结果曲线解释图10Bernoulli随机信号生成模块产生随机信号图10表示的是Bernoulli随机信号生成模块产生帧采样率为10、采样时间为1.5e-6的随机信号。图1120分贝的随机跳频脉冲图11显示的是在频带范围-39MHZ~39MHZ内，产生20分贝的随机跳频脉冲。图12Bernoulli随机信号经过加性高斯白噪声信道传输误码率图12显示的为经过加性高斯白噪声信道传输的信号频谱如下图所示，其产生的误码率约为0。第二部分：（1）、实例二仿真计算特征多项式F(x)=x9+x6+x4+x3+1的m序列的自相关系数。程序代码如下：程序运行结果如图13所示：图13m序列的自相关系数（2）、实例三仿真计算r=6本原多项式（八进制表示）103和147对应的两个m序列的互相关。函数序列。程序代码如下：程序运行结果如图14所示：图14m序列的互相关函数图四、设计体会为期两周的仿真实训结束了，在这紧张的两周里，我们主要用MATLAB/Simulink仿真软件犹如身临其境的对蓝牙跳频通信系统及知识要点做了深刻的实训。按照老师的安排，前三天我们针对扩频通信和跳频通信专项训练，接着两天分组选题，第二周进行具体题目实训。由于我们已经学习过《通信原理》及《MATLAB仿真在通信与电子工程中的应用》两门课，虽然还没有进行实验环节，但其原理和仿真软件我已在课本上有了大概的了解，所以对它的一些术语并不陌生，进行起来比较顺利。在仿真实验中除了熟悉一些软件模块必要的过程之外，在知识要点方面，通过这样的学习比单记课本上的知识要容易深刻的多，而且巩固学过的知识，印象更深刻。而对于自己搭建通信系统对于我们来说就是一个新鲜事物，因