短距离无线通信技术

　 设计题目 短距离无线通信技术研究

　院（系）名称 电子信息学院

　专业班级

　 学号

　 学生姓名

　 指导教师

　 设计成绩

　 目录

　1

　绪论 2 1.1

　概述 2 1.2

　国内外研究现状 4 2

　短距离无线通信技术标准 5 2.1

　蓝牙技术 5 2.1.1

　蓝牙技术的典型应用 5 2.1.2

　蓝牙技术的特点 6 2.1.3

　小结 7 2.2

　IEEE802.11 7 2.2.1

　IEEE802.11b 8 2.2.2

　IEEE802.11a 8 2.2.3

　IEEE802.11g 9 2.2.4

　小结 9 2.3

　红外（IrDA） 10 2.4

　HomeRF技术 10 2.5

　ZigBee技术 11 2.5.1

　ZigBee技术的特点 11 2.5.2

　小结 12 2.6

　超宽带技术（UWB） 12 2.6.1

　UWB的技术特点 13 2.6.2

　小结 14 2.7

　通信标准比较 14 3

　射频技术和基带技术 15 3.1

　射频技术 15 3.1.1

　概述 15 3.1.2

　频带和信道分配 16 3.1.3

　发射机特性 16 3.1.4

　接收机特性 18 3.2

　基带技术 18 3.2.1

　蓝牙时钟 19 3.2.2

　蓝牙设备地址 19 3.2.3

　物理信道 20 3.2.4

　跳频选择 21 3.2.5

　逻辑传输 24 3.2.6

　分组 24 4

　模块设计 27 4.1

　模块化设计思路 27 4.1.1

　总体原则 27 4.1.2

　PCB工艺因素 27 4.1.3

　原理图设计 33 4.1.4

　对外接口定义及封装 34 4.1.5

　射频信号处理 35 4.1.6

　拼板处理 35 4.2

　CSR蓝牙芯片 36 4.2.1

　BC01芯片 36 4.2.2

　BC2系列芯片 36 4.2.3

　BC3系列芯片 39 4.3

　基于BC2—EXTERNAL蓝牙模块设计(TTB102) 40 4.3.1

　设计目标 40 4.3.2

　对外接口定义及封装 40 4.3.3

　原理图 41 4.3.4

　PCB设计 42 4.3.5

　测试 42 4.3.6

　应用 43 总结 45 参考文献 46 致谢 48 附录一 原器件清单 49 附录二 系统电路原理图 50 附录三 系统电路PCB图 51

　1

　绪论 1.1

　概述 进入21世纪以来，无线通信技术正在以前所未有的速度向前发展。现有的GSM、NCDMA等技术正红红火火地发展，第三代移动通信系统(3G)也已经提上了议事日程，并将很快投入商用。这些技术能实现远距离的通信。但人们也许没有注意到，在同一间屋内或很近的地方，同样也需要无线通信。因此，又出现了另外一种需求：实现低价位、低功耗、可替代电缆的短距离无线通信。人们希望通过一个小型的、短距离的无线网络为移动和商业用户提供各种服务。

　短距离无线通信作为一个相对较新的技术，它的市场和应用一直备受业界所关注。从1999年蓝牙标准的横空出世开始，很多技术观点都认为短距离无线通信市场会出现爆发式的增长，但近十年过去了，事实证明，蓝牙至今都还没有进入快速的发展阶段，其应用仍停留在高端手机的无线耳机。有意思的是，作为同时期完成标准化的技术IEEE 802.11无线局域网，却在Wi-Fi联盟的强力推动下，得到了空前的推广。如今随着Intel的迅驰技术一道，Wi-Fi的Logo已经在笔记本电脑中随处可见。

　 由此可见，一种技术的应用推广，除了技术本身完善且有明确的市场定位外，国际产业联盟的推动作用是非常巨大的。蓝牙目前的现状也正是由于产业联盟的运作不够成熟所造成的。正是有了Wi-Fi成功的先例。现在还处于技术标准化时期的短距离无线通信技术，就纷纷建立各自的产业联盟，一方面推动高层协议的规范化，进而开展设备认证和互通测试，另一方面积极进行市场宣传和普及，为今后的产品商用做准备。

　超宽带（UWB）作为高速短距离无线通信技术的核心已经被大家所公认，尽管物理层标准尚处于争论阶段，但产业联盟的进程却非常快速。目前UWB比较明确的市场包括家庭消费电子、计算机周边设备和移动通信终端。家庭消费电子是家电厂商的传统势力范围，不过随着设备的复杂性增加，各种各样的线缆越来越成为了累赘。以数字电视机为中心，包括CD/DVD播放设备、音响设备、数码相机、数码摄像机等等这些消费类电子产品之间的大量数据的传输需要UWB提供高速短距离无线通信技术。同样的情况出现在计算机周边设备，主机与显示器、USB存储设备、扫描仪、投影仪等高速传输的接口也需要无线化，而且需求更为急迫。Intel所主导的Wireless USB正是这种高速应用的推动组织，2005年初已经有公司展出了基于多频带OFDM的超宽带技术的无线USB控制器。移动通信终端是发展最快的领域，随着3G的全面商用，对终端的存储容量、处理能力和互通性要求也越来越高，UWB这种高速短距离无线通信对蓝牙技术替代也是自然的。面对着如此多的应用场景，各种针对应用的技术联盟也积极开展研究和测试，除了上面提到的Wireless USB之外，还有1394 Trade Association和中国的闪联工作组IGRS。

　另一方面，低速短距离无线通信的代表技术Zigbee也在Zigbee联盟的运作下稳步发展。2004年底Zigbee联盟发布第一个Zigbee网络协议规范，并确定Zigbee的启动市场为家庭控制、建筑物自动化和工业自动化。其中作为家庭控制领域的应用协议描述（Application Profile）已经制定完成。其它领域的应用协议也正在制定中。从蓝牙协议制定的九个应用协议描述看出，低速的短距离无线通信的应用前景是非常广阔的，特别是在后续的IEEE 802.15.4a增加了测距和定位功能后，其市场范围将进一步扩大。

　由于人们对无线通信的需求越来越大，各种短距离无线通信技术将在自动化控制和家庭信息化领域扮演越来越重要的角色。本课题将对目前常用的和最新的短距离无线通信技术标准进行研究，分析了它们的优缺点及实现方法，比较了它们在技术上的异同点，讨论了在选择、使用这些技术时应注意的问题，并且选择蓝牙技术设计一个用于鼠标、键盘、USB适配器的通信系统。之所以选择蓝牙技术，是因为目前较成熟的短距离无线通信技术中，IrDA红外传输虽然效率较高但穿透力差;HomeRF技术实现复杂，设备要求高;IEEE802.11标准虽然应用较广，但它专为数据传输设计不能直接提供语音服务，目前提供的带宽也比较有限。相比较之下，蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别的连接。同时它拥有跳频更快，数据包更短等优点，这是蓝牙比其它系统更稳定，蓝牙技术已经被广泛应用于计算机、手机、照相机、播放器、打印机等电子设备之间的数据传输与交换中，因此蓝牙技术的应用前景十分广泛。通过蓝牙模块的设计，将有利于理解无线通信系统的一般特征，为今后学习和应用其他无线通信技术奠定了基础，具有典型的代表意义。

　1.2

　国内外研究现状 短距离无线通信技术的出现和应用较好的适应了市场发展的需求,特别是在最近一两年内以惊人的速度发展,各种相关技术层出不穷,已经在医疗、销售、制造、仓储、运输、会展、金融、小型办公、学校等许多不适合或无法布线的场合或需要移动办公、移动工作的企事业单位和行业系统得到了初步的应用。

　短距离无线通信技术目前在中国尚处于拓荒阶段。国内的通信厂商对短距离无线通信标准化的参与还不是很多，主要停留在研究跟踪阶段。不过，随着我国加入WTO，各种各样的知识产权纠纷接踵而至，许多组织机构和公司已经将短距离无线通信技术纳入了今后的研究视野。

　中国通信标准化协会（CCSA）的无线通信技术委员会第三工作组已经开始就超宽带技术进行了课题研究，并即将输出相应的研究报告，其它领域如RFID、Zigbee也有了对应的研究计划。不少高校、公司和研究机构都在积极参与[15]。

　从国际标准组织上看，我国不少高校和公司已经成为超宽带两大阵营组织的成员，在IEEE802.15会议上，中国UWB论坛、北京邮电大学等甚至联合意大利Create-Net公司向IEEE802.15.4a提交了备选物理层方案。这说明我国的研究力量已经开始向短距离无线通信领域转移了，可以相信在未来几年，国内对这方面的研究将会更加深入和富有成效，从而最大程度地保护自主知识产权，争取在未来的技术标准竞争中位于不败位置。

　蓝牙技术作为电子设备无线互联的廉价和可靠的技术实现方式，可以作为现有移动设备中的小型、廉价、短距离的无线数据收发机。蓝牙技术的发展和完善经历了较长的时间过程，从创立之处起逐步完善和发展了技术标准，优化和扩大了应用领域，进一步提高了无线通信的可靠性和安全性。

　现在，蓝牙芯片价格已经低于5美元的预期目标，正逐步被大规模市场化运作，特别是蓝牙耳机、蓝牙适配器等产品市场化运作较为成功，蓝牙技术的新一个发展机遇已经来临。基于蓝牙芯片开发相应的模块是该技术应用的最佳途径，有利于提高效率、降低成本、增加结构设计的灵活性，特别是模块已经集成了射频电路从根本上解决了模块应用的技术难题，更有利于形成优势互补的产业链，推动了蓝牙技术的快速发展。

　2

　短距离无线通信技术标准 本章主要介绍几种常见和最新的短距离无线通信技术标准，对目前使用较广泛的蓝牙、IEEE802.11、红外、HomeRF、Zigbee和UWB等传输技术进行了阐述，并分析了它们的优缺点及技术比较。

　2.1

　蓝牙技术 蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝芽”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。

　2.1.1

　蓝牙技术的典型应用 蓝牙技术适用于以下三个方面的短距离无线连接：

　（1）数据和语音接入点； （2）替代电线和电缆； （3）包含硬件、软件和互操作需求的一种无固定中心站的网络。

　蓝牙技术的几种典型应用如下: （1）三合一电话。“蓝芽”技术使一部移动电话手机能在多种场合内使用：在办公室里，这部手机是内部电话，不计电话费；在家里，是无绳电话，计固定电话费；出门在外，是一部移动电话，按移动电话的话费订费。

　（2）因特网桥。“蓝芽”技术可以使便携式电脑在任何地方都能通过移动电话手机进入因特网，随时随地到因特网上去“冲浪”。

　（3）交互性会议。在会议中，“蓝芽”技术可以迅速使自己的信息通过电脑、手机、PDA等供其他与会者共享。

　（4）房门公文包。笔记本电脑还在皮包里时收到了外来的电子邮件，用户的移动电话就会发出声音，提醒用户“电脑收到了电子邮件”。这时用户不用打开电脑，在手机上就可以浏览收到的电子邮件。

　（5）数字相机中图像的无线传输。“蓝芽”技术将数字相机中的图像发送给其它的数字相机或者PC机、PDA等。

　（6）各种家用设备的遥控和组成家电网络。

　2.1.2

　蓝牙技术的特点 蓝牙技术标准经历了不断完善和发展的过程，蓝牙国际组织—特殊利益集团(SIG)制订了不同版本的蓝牙标准，区分蓝牙产品首先应该关注该产品符合的技术版本。蓝牙技术标准制订时间顺序如下[1]：

　(1) 2004年11月4日，2.0+EDR版标准；

　(2) 2003年11月5日，1.2版标准； (3) 2001年2月22日，1.1版标准； (4) 1999年12月l日，l.0b版标准； (5) 1999年7月26日，1.0a版标准，第一个对外公布的标准； (6) 1999年7月5日，1.0版标准草案； (7) 1999年4月30日，09版标准； (8) 1999年l月21日，08版标准； (9) 1998年10月19日，07版标准。

　本论文以蓝牙标准1.2版为准。

　蓝牙技术采用1600hpo/s的跳频扩频通信技术，能在特殊模式下支持3200hpo/s跳频速率；引入电路交换和分组交换方式，实现同时承载数据和语音业务；支持多种功耗模式，适合应用于电池供电的数字设备。1.2版蓝牙技术主要参数如表2.1。

　表2.1

　1.2版蓝牙基本技术参数 工作频段 2402MHz~2480MHz 双工方式 TDD（时分双工） 调制技术 GFSK（高斯频移键控） 业务类型 电路交换分组交换 调频速率 1600hpo/s 工作模式 PARK（休眠）/HOLD（保持）/SNIFF（呼吸） 连接方式 面向连接方式的SCO和面向无连接的ACL 纠错方式 1/3FEC、2/3FEC、ARQ 信道加密 0位、40位、60位加密字符 语音编码 CVSD 通信距离 10m或者100m 2.1.3

　小结 综上所述蓝牙技术是一种全球统一标准、互操作强、体积小、工作频段不受限制、无需电缆连接的无线网络新产品，特别适于短距离移动传输。各类家电信息产品只需多花几美元就能连接成网，嵌入的蓝牙模块成本不高，甚至希望能低于电缆和连接头。人们希望这种理想尽快实现，产品尽快问世。但是蓝牙技术作为一种综合性很强的高科技通信产品，与任何一种高科技新技术一样，它的研发与生产同样存在风险，技术越高，投资必越大，风险也越高。我们应该即要看到蓝牙的特点、优点，也要看到蓝牙的问题和不成熟度。

　2.2

　IEEE802.11

　表2.2

　802.11特性说明 特性 说明 物理层 频段 速率 安全 吞吐量 范围 优点 缺点 直序扩频(DSSS) 调频扩频(FHSS) 红外(IR) 2.4GHz(ISM频段，802.11b和802.11g)，5Ghz(802.11a) 11Mbps，2Mbps，5.5Mbps(802.11b) 55M(802.11a和802.11g) 基于RC4的流加密算法，有限的密钥管理 11M(802.11b) 54M(802.11a，802.11g) 室内100米，室外300米左右 无需布线，使用灵活方便，产品已经很多且成熟，价格已经下降 安全方便，吞吐量会随着用户的增多和距离的加大而下降 IEEE802.11是美国电气电子工程师协会IEEE（Institute for Electrical and Electronic Engineers）为解决无线网路设备互连，于1997年6月制定发布的无线局域网标准。

　IEEE802.11标准定义了单一的MAC层和多样的物理层，其物理层标准主要有IEEE802.11b,a和g。

　2.2.1

　IEEE802.11b 1999年9月正式通过的IEEE802.11b标准是IEEE802.11协议标准的扩展。它可以支持最高11Mbps的数据速率，运行在2.4GHz的ISM频段上，采用的调制技术是CCK。但是随着用户不断增长的对数据速率的要求，CCK调制方式就不再是一种合适的方法了。因为对于直接序列扩频技术来说，为了取得较高的数据速率，并达到扩频的目的，选取的码片的速率就要更高，这对于现有的码片来说比较困难；对于接收端的RAKE接收机来说，在高速数据速率的情况下，为了达到良好的时间分集效果，要求RAKE接收机有更复杂的结构，在硬件上不易实现。

　2.2.2

　IEEE802.11a IEEE802.11a工作5GHz频段上，使用OFDM调制技术可支持54Mbps的传输速率。802.11a与802.11b两个标准都存在着各自的优缺点，802.11b的优势在于价格低廉,但速率较低（最高11Mbps）；而802.11a优势在于传输速率快（最高54Mbps）且受干扰少，但价格相对较高。另外，11a与11b工作在不同的频段上,不能工作在同一AP的网络里，因此11a与11b互不兼容。

　2.2.3

　IEEE802.11g 为了解决上述问题，为了进一步推动无线局域网的发展，2003年7月802.11工作组批准了802.11g标准。。该草案与以前的802.11协议标准相比有以下两个特点：其在2.4G频段使用OFDM调制技术，使数据传输速率提高到20Mbps以上；IEEE802.11g标准能够与802.11b的WIFI系统互相连通，共存在同一AP的网络里，保障了后向兼容性。

　2.2.4

　小结 它们在技术和性能上各有差异。如表2.3所示：

　 表2.3

　几种主要802.11 WLAN标准的区别 标准 频带(GHz) 最大物理层数据速率(Mbit/s) 第三层数据速率(Mbit/s) 传输技术 与所列标准兼容性 主要优点 主要缺点 802.11 2.4 2 1.2 FHSS/DSSS 无 较大的辐射范围 有限的比特率 802.11a 5.0 54 32 OFDM 无 在非拥挤频段有较高的比特率 在802.11标准族中，辐射范围最小 802.11b 2.4 11 6~7 DSSS 802.11 应用广泛，较大的辐射范围 对许多现在的应用需求来说，比特率太低 802.11g 2.4 54 32 OFDM 802.11/802.11b 在2.4GHz的频带有较高的比特率 共存WLAN数目小，辐射范围比802.11a大 802.11是IEEE制订的第一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据访问，速率最高只能达到2Mbit/s。其工作频带为ISM频段,标准主要是制定物理层和媒体接入控制(MAC)层的规范。

　2.3

　红外（IrDA） 红外线数据协会IrDA（Infrared Data Association）成立于1993年，是致力于建立红外线无线连接的非营利组织。起初，采用IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115.2kb／s速率传输数据，很快发展到4Mb／s的速率，后来，速率又达到16Mb／s。

　IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，他也许是第一个实现无线个人局域网（PersonalAreaNetwork，PAN）的技术。目前他的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如PDA、手机上广泛使用。事实上，当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。

　IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。他还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。由于数据传输率较高，适于传输大容量的文件和多媒体数据。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。

　IrDA的不足在于他是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于2台（非多台）设备之间的连接。而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。

　2.4

　HomeRF技术 HomeRF工作组是由美国家用射频委员会领导、于1997年成立的，其主要工作任务是为家庭用户建立具有互操作性的话音和数据通信网。

　家庭射频（HomeRF）标准是由HomeRF工作组开发的，旨在家庭范围内，使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准。HomeRF是IEEE802.11与DECT的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。HomeRF采用了扩频技术，工作在2.4GHz频带，能同步支持4条高质量语音信道，但是HomeRF的传输速率只有1M～2Mbps。由于HomeRF技术没有完全公开，目前只有几十家小企业支持，在抗干扰等方面相对应其他技术而言尚有欠缺，因此它的应用前景还不是十分明朗。

　HomeRF是对现有无线通信标准的综合和改进：当进行数据通信时，采用IEEE802.11规范中的TCP/IP传输协议；当进行语音通信时，则采用数字增强型无绳通信标准。但是，该标准与802.11b不兼容，并占据了与802.11b和Bluetooth相同的2.4GHz频率段，所以在应用范围上会有很大的局限性，更多的是在家庭网络中使用。

　2.5

　ZigBee技术 ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。IEEE802.15.4工作组定义了一种廉价的供固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。ZigBee联盟在制定ZigBee标准时，采用了IEEE802.15.4作为其物理层和媒体接入层规范。在其基础之上，ZigBee 联盟制定了数据链路层（DLL）、网络层(NWK)和应用编程接口(API)规范，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。

　2.5.1

　ZigBee技术的特点 (1)复杂性 ZigBee协议栈简单，实现相对容易，需要的系统资源也较少，据估计运行ZigBee需要系统资源约28Kb；ZigBee定义了两种类型的设备：全功能设备FFD(Full Functional Device）和简化功能设备RFD(Reduced Function Device)。网络为主从结构，一个网络有一个网络协调者(Coordinator)和最多可达65 535个从属设备。网络协调者必须是FFD，它负责管理和维护网络，包括路由、安全性、节点的附着与离开等。一个网络只需要一个网络协调者，其他终端设备可以是RFD，也可以是FFD。RFD的价格要比FFD 便宜得多，其占用系统资源仅约为4Kb，因此网络的整体成本比较低。从这一点来说，ZigBee非常适合有大量终端设备的网络，如传感网络、楼宇自动化等。

　（2）可靠性 信号在无线环境中传输，必然存在大尺度衰落、阴影衰落、多径和干扰等问题。ZigBee、蓝牙和WLAN(IEEE802.11b)都是工作于2.4GHzISM频段，相互间的干扰是不可避免的，因此保证可靠性尤为重要。

　ZigBee有三个工作频段：2.402～2.480GHz、868～868.6MHz、902～928MHz，共27 个信道。信道接入方式采用CSMA-CA，能有效地减少帧的冲突。为抗干扰和多径，ZigBee在物理层采用直接序列扩频DSSS和频率捷变FA技术。在网络层，ZigBee支持网状网，存在冗余路由，保证了网络的健壮性。

　（3）功耗 低功耗是ZigBee的一个重要特征。在一个典型的ZigBee传感网络中，一块普通碱性电池可以供ZigBee设备工作六个月到两年！下面讨论ZigBee获得低功耗的方法。

　ZigBee的MAC 信道接入机制有两种：无信标（Beacon）模式和有信标模式。

　无信标模式就是标准的ALOHACSMA-CA 的信道接入机制，终端节点只在有数据要收发的时候才和网络会话，其余时间都处于休眠模式，这样平均功耗就非常低。

　有信标模式下，终端设备可以只在信标被广播时醒来，并侦听地址，如果没有侦听到自己的地址，则又转入休眠状态。信标对簇形网络(Cluster tree network)和网状网(Mesh network)的节点同步尤为重要，节点不用长时间侦听信道而消耗能量。

　网络拓扑结构对功率节省也有很重要的关系。星形和簇形网络结构比网状网结构更有利于功率节省。因为前者的终端节点不充当路由器的功能，只收发自己的数据，这样可以节省更多功率。

　2.5.2

　小结 由于ZigBee具有功耗极低、系统简单、成本低、低等待时间(Latency Time)和低数据速率的性质，它非常适合有大量终端设备的网络。可以应用到以下领域：楼宇自动化、工业监视及控制、计算机外设、互动玩具、医疗设备、消费性电子产品、家庭自动化以及其他一些传感网络。

　2.6

　超宽带技术（UWB） 超宽带(UWB)有着悠久的发展历史，但在1989年之前，超宽带这一术语并不常用，在信号的带宽和频谱结构方面也没有明确的规定。1989年，美国国防部高级研究计划署(DARPA)首先采用超宽带这一术语，并规定：若信号在-20dB处的绝对带宽大于1.5GHz或相对带宽（信号带宽与中心频率之比）大于25%，则该信号为超宽带信号。信号带宽与中心频率之比在1%～25%之间为宽带，小于1%为窄带。

　为探索UWB应用于民用领域的可行性，自1998年起，美国联邦通信委员会(FCC)开始在产业界广泛征求意见。美国NTIA等通信团体对此大约提交了800多份意见书。2002年2月，FCC批准UWB技术进入民用领域，并对UWB进行了重新定义，规定UWB信号为相对带宽大于20%或-10dB带宽大于500MHz的无线电信号。

　可以预见，在未来的几年中，UWB将成为无线个域网、无线家庭网络、无线传感器网络等短距离无线网络中占据主导地位的物理层技术之一。

　2.6.1

　UWB的技术特点 (1)传输速率高，空间容量大 根据仙农(Shannon)信道容量公式，在加性高斯白噪声(AWGN)信道中，系统无差错传输速率的上限为：

　 其中,B(单位:Hz)为信道带宽,SNR为信噪比。在UWB系统中，信号带宽B高达500MHz~7.5GHz。因此，即使信噪比SNR很低，UWB系统也可以在短距离上实现几百兆至1Gb/s的传输速率。例如，如果使用7GHz带宽，即使信噪比低至-10dB，其理论信道容量也可达到1Gb/s。因此，将UWB技术应用于短距离高速传输场合(如高速WPAN)是非常合适的，可以极大地提高空间容量。理论研究表明，基于UWB的WPAN可达的空间容量比目前WLAN标准IEEE802.11a高出1～2个数量级。

　(2)适合短距离通信 按照FCC规定，UWB系统的可辐射功率非常有限，3.1GHz~10.6GHz频段总辐射功率仅0.55mW，远低于传统窄带系统。随着传输距离的增加，信号功率将不断衰减。因此，接收信噪比可以表示成传输距离的函数(d)。根据仙农公式，信道容量可以表示成距离的函数：

　 另外,超宽带信号具有极其丰富的频率成分。众所周知，无线信道在不同频段表现出不同的衰落特性。由于随着传输距离的增加高频信号衰落极快，这导致UWB信号产生失真，从而严重影响系统性能。

　(3)具有良好的共存性和保密性 由于UWB系统辐射谱密度极低(小于-41.3dBm/MHz)，对传统的窄带系统来讲，UWB信号谱密度甚至低至背景噪声电平以下，UWB信号对窄带系统的干扰可以视作宽带白噪声。因此，UWB系统与传统的窄带系统有着良好的共存性，这对提高日益紧张的无线频谱资源的利用率是非常有利的。同时，极低的辐射谱密度使UWB信号具有很强的隐蔽性，很难被截获，这对提高通信保密性非常有利。

　(4)多径分辨能力强，定位精度高 由于UWB信号采用持续时间极短的窄脉冲，其时间、空间分辨能力都很强。因此，UWB信号的多径分辨率极高。极高的多径分辨能力赋予UWB信号高精度的测距、定位能力。无线信道的时间选择性和频率选择性是制约无线通信系统性能的关键因素。

　在窄带系统中，不可分辨的多径将导致衰落，而UWB信号可以将它们分开并利用分集接收技术进行合并。因此，UWB系统具有很强的抗衰落能力。但UWB信号极高的多径分辨力也导致信号能量产生严重的时间弥散(频率选择性衰落)，接收机必须通过牺牲复杂度(增加分集重数)以捕获足够的信号能量。这将对接收机设计提出严峻挑战。在实际的UWB系统设计中，必须折衷考虑信号带宽和接收机复杂度，得到理想的性价比。

　(5)体积小、功耗低 传统的UWB技术无需正弦载波，数据被调制在纳秒级或亚纳秒级基带窄脉冲上传输，接收机利用相关器直接完成信号检测。收发信机不需要复杂的载频调制/解调电路和滤波器。因此，可以大大降低系统复杂度，减小收发信机体积和功耗。

　2.6.2

　小结 由于UWB传输速率快，体积小，功耗低，尤其是它精度高，保密性好，所以UWB技术一直以来都是军方使用的作战技术之一，但由于UWB具有巨大的传输速率优势，同时受发射功率限制，在短距离范围内提供高速无线数据传输是UWB的重要应用领域，如当前WLAN和WPAN的各种应用。

　2.7

　通信标准比较 通过对这几种短距离无线通信技术标准的研究和比较，选择蓝牙技术设计一个用于鼠标、键盘、USB适配器的通信系统。之所以选择蓝牙技术，是因为目前较成熟的短距离无线通信技术中，IrDA红外传输虽然效率较高但穿透力差;HomeRF技术实现复杂，设备要求高;IEEE802.11标准虽然应用较广，但它专为数据传输设计不能直接提供语音服务，目前提供的带宽也比较有限。相比较之下，蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别的连接。同时它拥有跳频更快，数据包更短等优点，这是蓝牙比其它系统更稳定，蓝牙技术已经被广泛应用于计算机、手机、照相机、播放器、打印机等电子设备之间的数据传输与交换中，因此蓝牙技术的应用前景十分广泛。

　 3

　射频技术和基带技术 射频(Radio Frequency)技术和基带(Baseband)技术是蓝牙技术的基础和核心。如何正确地理解和掌握射频技术和基带技术是应用该技术的前提;蓝牙技术研发和生产过程中的重要内容—射频测试完全符合该射频技术标准;基带技术定义了信道控制、分组格式、纠检错机制、跳频选择、安全技术等内容。

　3.1

　射频技术 3.1.1

　概述 射频技术主要完成以下功能: (1) 与工作同一频段的其它设备兼容； (2) 确保QoS[3]。

　蓝牙工作在无需申请的2.4GHz ISM(工业、科学、医疗)频段，采用跳频收发信机以减小干扰和衰减，采用二进制FM调制以降低收发信机的复杂度，采用TDD全双工方案以实现数据和语音的实时通信。

　3.1.2

　频带和信道分配 蓝牙工作在2.4GHzISM频段，该频段范围为:2400一2483.5MHz。蓝牙技术使用间隔为1MHz的79个射频信道，如表3.1所示，低端和高端的保护频带分别为2MHz和3.5MHz。

　表3.1

　 蓝牙射频信道[4] ISM频带 蓝牙射频信道 2400一2483.5MHz F=2402+k MHz, k=0,1……7,8 3.1.3

　发射机特性 1.发射功率 区分不同的蓝牙设备首先应该确定该设备的发射功率等级，不同的功率等级需要不同的射频解决方案。根据天线连接处测得的发射功率大小，将蓝牙设备分为三类，如表3.2所示。

　表3.2

　蓝牙设备功率分类[5] CLASS 最大输出功率 （Pmax） 典型输出功率 （Pnom） 最小输出功率 （Pmin） 1 100mW(20dBm) N/A 1Mw(0dBm) 2 2.5mW(4dBm) 1mW(0dBm) 0.25mW(-6Bm) 3 1mW(0dBm) N/A N/A 与此同时，也可以用通信距离表述功率输出等级，100m通信距离表示Class 1蓝牙设备，10m通信距离表示Class 2蓝牙设备。一般蓝牙耳机、蓝牙鼠标、蓝牙车载免提等设备只需Class 2功率水平，对于蓝牙USB适配器可以设计Class1或者Class 2功率水平，视应用场合而定，不同功率等级的蓝牙设备之间通信可能出现无法预料的问题。Class 1设备必需要实施功率控制，对发射功率大于4Bdm，根据实时测量接收信号强度指示(RSSI)数据比较功率控制表，以通知对方降低或者增加发射功率。功率控制可以优化功率消耗水平、降低相互干扰。对发射功率低于4dBm的Class 2设备可以选择实施功率控制，同样可以优化功率消耗水平、降低干扰，当然可以不采取功率控制。在连接状态、寻呼、查询等状态，Class 1和Class 2蓝牙设备之间通信，可能由于Class 1发射功率大、距离太近而使Class 2设备无法正常接收数据。在这种情况下，应将Class 1设备功率水平控制在Class 2水平，这一点也是蓝牙技术开发过程、调试过程中必须关注的问题。一旦引入功率控制机制，蓝牙技术开发应用时需要定制功率控制表，向系统提供一个步进规律，系统读取RSSI值后，根据该表来通知对方加大或者降低发射功率、步进值等。蓝牙技术对功率表步进值有明确的规定，最大8dB，最小2dB。

　2．调制特性 蓝牙采用GFSK(高斯频移键控)调制技术，调制系数位于0.28一0.35之间， 采用1600hpo/s，即o.625ms时间段位于同一个频点，用正频偏代表逻辑1，负 频偏代表逻辑O，从而实现频移键控技术。蓝牙RF中重要测试指标为频率偏移 范围。如图3.l所示GFSK眼图参数，横轴为时间，纵轴为频率。Transmit Frequency Ft(载波)表示1600hpo/s的某一个跳频点，fd标志逻辑1或者0的频率偏移，Zero Crossing表示过零点位置。图3.1有以下几个要点：

　(1) 保证Transmit Frequency Ft(载波)稳定度，该稳定度有两个指标； (a)Initial Carrier Frequency孔Tolerance，表示系统不发送数据分组时的载波稳定度，要求小于士75KHz ； (b)Carrier Frequency Drift，表示发送数据分组时隙内的载波漂移，根据分组长度不同有不同的要求，具体参数如表3.3。

　(2) fd正常范围为145KHz~175KHz ； (3) Zero Crossing error低于1/8符号周期。

　 表3.3

　 Carrier Frequency Drift

　图3.1

　GFSK参数 3．杂散功率 蓝牙技术对射频信号带外噪声有明确的规定。理论上要求载波在哪个频点，应该发射在哪个频点，但工程上是无法实现，不可能是纯粹的载波频率信号，可能包含临近频段的信号，而该临近频段的信号可能对附近信道特性产生影响。蓝牙系统对该干扰信号进行的参数限制为:首先，-20dBm频带范围，即从最大功率值所在的频点分别从两端沿频谱走向减小20dBm后的确定两个频点位置，要求计算该两点间隔小于1 MHz;其次，对绝对功率水平有明确的定义，对于发射载波偏移2MHz后的信号功率低于-20dBm，对于偏移大于等于3MHz后的信号功率低于40dBm。

　3.1.4

　接收机特性 蓝牙系统接收机灵敏度电平为-70 dBm，保证BER≤0.1%。接收机特性主要从抗干扰性能、抑制频带外噪声和互调特性三方面考虑。分别通过Sensitivity-one slot packets(单时隙灵敏度)、Sensitivity- multi-slot packet(多时隙灵敏度)、Blocking Performance(抑制带外噪声性能)、Intermodulation Performance(互调特性)等项目来测试是否满足BER≤0.1%。

　3.2

　基带技术 蓝牙技术支持点对点和点对多点的连接。在点对点连接时，两个设备共同分享一个物理信道；在点对多点连接时，一个主设备和最多七个从设备形成一个匹克网(Piconet)，多个设备共同分享一个物理信道，由主设备控制和管理物理信道;多个匹克网组成一个散射网(Scatternet)，但是每一各匹克网内部设备仍然共享一个物理信道。蓝牙技术支持的空中基带数据分组格式如图3.2，该分组分为三部分，包括Acess Code(识别码)、Header(分组头)、Payload(负载)。

　 图3.2

　基带数据分组格式 3.2.1

　蓝牙时钟 蓝牙时钟稳定度、精度对系统的正确运行至关重要，直接影响射频性能，需要对每一个出产的蓝牙产品进行时钟校准。通过调节Pskey中的Trim值来调整时钟，在测试流程中会有一个操作用于校准蓝牙时钟。每一个蓝牙设备都有一个本地时钟，该时钟不受外部任何因素影响，为了实现与其它蓝牙设备保持时钟同步，只需要在本地时钟基础上加上实时偏移(Offset)。蓝牙时钟采用28位的计数器实现，计数周期位312.5 u s，即3 .2KHz。以此同时，蓝牙时钟计数器有几个关键位变化对蓝牙系统产生影响：CLKo,CLK1, CLK2, CLK12，分别对应312.5us，625us，1.25ms和1.28s。蓝牙时钟计数器如图3.3所示。

　图3.3

　蓝牙时钟计数器 3.2.2

　蓝牙设备地址 每一个蓝牙设备都需要分配一个不同48 - bits的蓝牙设备地址（BD_ADDR）。如图3.4蓝牙地址格式，包括LAP, UAP、和NAP三部分。LAP称为低位地址，长度24bits;

　UAP称为高位地址，长度8bits; NAP称为无意义地址，长度16bits o 24bits LAP称为公司分配号(Company_ assigned)， UAP和NAP合起来总共24bits称为公司ID (Company_id ) [7]。

　 图3.4

　蓝牙地址格式 蓝牙设备地址段需要从IEEE

　Registration

　Authority注册申请(www.ieee.org)，其中三个字节的公司.C Company一d)由IEEE统一分配、管理，而三个字节的公司分配号(Company_ assigned)由蓝牙设备生产厂商自行分配。即蓝牙设备制造商需要向IEEE申请24bits的Company一d，然后自行分配低端24bits。同样道理，可以根据蓝牙地址中的Company—d识别该设备的制造商，在www.ieee.org网站查出对应Company—d的公司名称。支付一定的费用申请一个Company—d可以用于16,000,000个蓝牙设备地址分配。但是，注意蓝牙设备又保留了64个LAP地址用于查询操作，不能用于蓝牙设备地址分配，该LAP地址段为0x9E8B00～0x9E8B3F。

　3.2.3

　物理信道 一个伪随机跳频序列标志蓝牙物理信道，跳频序列由蓝牙地址的UAP和LAP决定，序列的相位由蓝牙时钟决定。物理信道被分成以时隙为单位的时间段，由跳频选择内核(Selection Box)决定某一个时隙所处的频点位置，在连接状、态跳频速率为1600hpo/s，而在查询(Inquiry)和寻呼(Page)子状态，跳频速率为、3200hpo/s。蓝牙物理信道主要有：

　(1) 基本匹克网物理信道；

　 (2) 自适应匹克网物理信道；

　 (3) 寻呼扫描物理信道；

　 (4) 查询扫描物理信道。

　蓝牙设备处于连接状态时，缺省使用(1)基本匹克网物理信道，在信道条件不一致情况下，可以使用(2)自适应匹克网物理信道。基本匹克网物理信道由主蓝牙设备的决定，它的蓝牙地址和时钟决定伪随机跳频序列的跳频规律，通过轮询方案实现对匹克网物理信道的流量控制。主蓝牙设备是指通过发起寻呼请求并且成功建立连接的设备，从蓝牙设备是指被连接设备，连接建立后，主从角色同样可以交换。基本匹克网物理信道将时间分成625 u s长度的时隙，以TDD方式实现主从设备之间的通信，如图3.5主从设备之间采用TDD方式的多时隙分组通信。

　图3.5

　主从设备之间多时隙分组通信 自适应匹克网物理信道使用自适应跳频选择序列，即跳过某些物理信道条件较差的射频信道，有利于增加无线通信可靠性和兼容性。自适应物理信道至少使用20个射频信道，它与基本匹克网物理信道有两点不同: (1) 在从主时隙，与先前主从时隙使用相同的射频信道，如图3.6所示； (2) 可能使用少于79个射频信道。

　 图3.6

　从主时隙与前一个从主时隙使用相同RF信道 3.2.4

　跳频选择 蓝牙设备使用跳频选择内核(Selection Box)产生六种伪随机跳频序列，五种为基本跳频序列，一种为自适应跳频序列(AFH )，这些序列类型如下: (1) 寻呼跳频序列(Page)； (2) 寻呼响应跳频序列(Page Response)； (3) 查询跳频序列(Inquiry )； (4) 查询响应跳频序列(Inquiry Response)； (5) 基本信道跳频序列(Basic)； (6) 自适应信道跳频序列(AFH )。

　1．通用选择框图(Selection Box) 如图3.7跳频选择方案框图，输入参数决定信道系数，这些输入参数包括27bits蓝牙时钟、28bits UAP/LAP ( LAP和UAP低的4bits), frozen clock、 N，Koffset、sequence selection(序列类型)和AFH channel map(自适应跳频图案)。

　 图3.7

　跳频图案选择框图 2．基本跳频序列选择内核 如图3.8基本跳频图案选择内核，是寻呼(Page)、寻呼响应(Page Response)、查询(Inquiry)、查询响应(Inquiry Response)和基本(Basic)跳频序列的选择内核，输入参数有X, Y1, Y2, A, B, C, D, E, F。X输入决定跳频序列的相位;Y1和Y2选、择主从和从主时隙;A-D决定段内顺序(将79个跳频点分成犯个点组成的多个、段);E-F决定跳频序列和跳频点的对应关系。选择内核依次由ADD(加法器), XOR(异或器), PERM5(蝶行序列运算)、ADD(加法器)组成。其中，加法器将两个数相加，模32(第一加法器)或者79(第二个加法器)；异或操作将对应位进行异或;PERMS如图3.9所示，Z4-Z0代表图中PERMS左边XOR 5bits输入，其中Z0表示低位，P13-P9代表图中PERMS上部C和Y1 XOR产生的5bits数据，P8-P0代表图中PERMS上部9bits D输入。而图中的单个蝶行运算如图3.10所示，由两个选择器组成，两输入、两输出、一控制;当P为0时，输出等于输入;当P为1时，输出和输入反向。X, Y1等参数由跳频图案选择框图的输入参数产生，例如连接状态时，X为蓝牙时钟的第2到6位，其它参数类同。

　 图3.8

　基本跳频图案选择内核[8]

　图3.9

　PERMS运算

　图3.10

　蝶行运算 3．自适应跳频选择内核 适应跳频选择内核基于基本跳频选择内核，除了AFH_channel_map(自适应跳频图案)输入参数，与基本跳频序列选择内核有相同的选择参数。AFH_channel_map用于指示哪个射频信道可以使用、哪个射频信道不能使用。在自适应跳频选择下，可以使用射频信道可能少于79个，但是不能少于20个。自适应跳频图案选择先通过基本跳频选择内核产生射频信道选择参数，比较AFH_channel_map是否可以被使用，如果可以则使用该射频信道，否则通过自适应跳频选择算法，重新选择一个新的射频信道。

　3.2.5

　逻辑传输 在主从蓝牙设备之间建立不同类型的逻辑传输链路，总共有五种不同类型的逻辑传输: (1) 面向同步连接(SCO)的逻辑传输； (2) 扩展的面向同步连接(eSCO)的逻辑传输； (3) 面向异步连接(ACL)的逻辑传输； (4) 活动从设备广播(ASB)逻辑传输； (5) 休眠从设备广播(PSB)逻辑传输。

　SCO逻辑传输是在匹克网中点对点的逻辑传输，一般用于语音、同步数据等对延时有严格限制的业务，主设备通过保留时隙来保持SCO。eSCO逻辑传输不但具有保留时隙，而且在保留时隙之后设立重传窗口以加强可靠性。

　ACL逻辑传输同样是在主从设备之间建立点对点逻辑传输，但只能在非保留时隙，主设备可以和多个从设备建立ACL逻辑传输。

　ASB逻辑传输用于主设备与活动从设备进行通信，而PSB逻辑传输用于主设备与休眠从设备进行通信。

　3.2.6

　分组 蓝牙基带分组通用格式如图3.11所示，分为三部分：Acess Code(识别码)、Header(分组头)、Payload(负载)。左边为低位(LSB)，右边为高位(MSB),低位比特先发送。Access Code长度为72bits，Header长度为54bits，Payload最长可以达2745bits。部分分组只由有Access Code，分组长度为68bits。

　 图3.11

　基带分组通用格蓝牙式 面向同步连接(SCO)的逻辑传输有NULL、POLLFHS、DM1、HV1、HV2、HV3、DV分组；扩展的面向同步连接(eSCO)的逻辑传输有NULL、POLL、EV3、EV4、EV5分组；面向异步连接(ACL)的逻辑传输有NULL、POLL、FHS、DM1、DH1、DH3、DH5、DM1、DM3、DM5、AUX1分组。ID、NULL、POLL、FH5为链路控制分组，该类分组统计信息如表3.4所示；DM1、DH1、DH3、DH5、DM1、DM3、DM5、AUX1为ACL分组，该类分组统计信息如表3.5所示；HV 1、HV2、HV3、EV3、EV4、EV5为同步语音分组，该类分组统计信息如表3.6所示。ID分组没有负载，用查询操作;NULL分组没有负载，用于返回ARAN(确认)信息；POLL分组没有负载，用于轮询多个蓝牙从设备；FHS分组用于在链路建立过程中传递主设备跳频同步信息。

　表3.4

　链路控制分组

　 表3.5

　同步语音分组

　 表3.6

　ACL分组

　4

　模块设计

　蓝牙模块是将蓝牙芯片及通用外围电路集成到一块电路板，最小化电路板尺寸，最佳化对外接口定义和封装，完成主要射频电路的设计和测试工作。本章主要涉及蓝牙模块化设计思路、基于BC2-EXTERNAL蓝牙芯片的TTB102蓝牙模块设计。

　4.1

　模块化设计思路 4.1.1

　总体原则 采用模块化设计思路是蓝牙技术开发的最佳途径，在选择适合的蓝牙芯片基础上，需要确定电路板设计方法和测试方法。一方面由于蓝牙模块是2.4GHz射频模块，另一方面由于蓝牙模块具有通用性需求，用于蓝牙鼠标、蓝牙耳机、蓝牙USB适配器等蓝牙设备，只是采用不同的外围电路；再有，蓝牙模块集成蓝牙芯片外围所有的通用电路，完成大部分射频电路的设计和测试。蓝牙模块设计总体原则主要有以下: (1) 正确选择蓝牙芯片型号及封装； (2) 针对蓝牙芯片BGA封装，根据PCB厂加工工艺水平，确定合适的BGA线方案； (3) 根据PCB厂的工艺水平，确定模块叠层结构和工艺参数等； (4) 确定具有最大化兼容性的原理图设计； (5) 定义最佳的对外接口和封装结构； (6) 最优化射频电路处理。

　4.1.2

　PCB工艺因素 选择合适的PCB加工工艺水平非常重要，紧密结合模块的加工工艺要求和PCB厂的工艺水平。尽量不希望出现模块的设计超出了PCB厂的加工能力，或者由于选择的较高的工艺水平而导致太高的加工成本。

　1.叠层结构 模块设计需要选择电路板叠层结构，一般确定为四层板: (1) 顶层:放置元器件，走线； (2) 中间一层:地层； (3) 中间二层:电源层； (4) 底层:不放置组件，走线，模块对外封装。

　2.BGA走线方案

　确定使用CSR公司生产的蓝牙芯片，因为该芯片为BGA封装，需要确定最佳的BGA的走线方案。如图4.1所示BGA封装结构，部分引脚走线比较困难。其中A1等外边引脚可以从外边引线，C3 , C4等内边引脚可以从BGA内部空闲处打过孔引线，唯有B2, B3等中间引脚需要特殊的引线方案，而该引线方案与焊盘中心间距和PCB工艺水平紧密联系。

　图4.1

　BGA封装结构 基本可以采用三种方案引线，一种是在顶层的BGA焊盘之间引出，该方法一方面取决于焊盘的中心距，要求至少0.65mm，另一方面容量有限，无法将全部内部引脚引出;第二种是通过在顶层四个BGA焊盘所在的中心位置打机械过孔至底层，在底层走线，该方案同样取决于BGA封装的焊盘中心间距，要求至少0.65mm第三种方案是在BGA焊盘上直接打激光盲孔至第二层地层，打0.lmm孔，孔焊盘0.3mm，与此同时可以适当增大B GA焊盘的尺寸，当然由于激光孔穿透能力有限，只能打至第二层，然后在第二层走线至安全处打机械通孔至顶层或者底层走线，当然PCB加工时需要将0.1 mm盲孔堵上，以方便焊接。

　（1）焊盘之间引线 CSR公司的蓝牙芯片为BGA封装，如BC212015BDN为0.65mm焊盘中心间距，部分引脚通过该方案引线至安全处。此方案需要计算芯片引脚中心间距，参考PCB加工工艺能力，包括最小线宽、最小线间距等。图4.2为顶层BGA焊盘之间引线的示意图，假设该BGA芯片为0.65mm引脚间距，则采用0.1 mm线宽引线，则引线和焊盘边距为0.125mm，符合PCB厂最小0.1 mm线间距的加工工艺水平。

　 图4.2

　顶层BGA焊盘之间引线 （2）四个焊盘中心打过孔 CSR公司的蓝牙芯片为BGA封装，如BC212015BDN为0.65mm引脚间距，部分引脚通过该方案引线至安全处。如图4.3所示BGA封装的四个焊盘，焊盘A1和B1中心距离0.65mm，则处于对角线的焊盘A1和B2中心距离0.9191mm。盘B2连线至一个位于四个焊盘中心位置的0.2/0.4mm过孔，即0.2mm机械孔，0.4mm盘，至底层后在走线。过孔盘和周边焊盘边距为0.10955mm，符合PCB厂最小0.lmm线间距加工工艺水平。事实上，能够采用(1)方案一般也能采用(2)方案，所以可以将两种方案联合使用，增加电路板设计的灵活性。TTB 102蓝牙模块同时采用(1)和(2)两种方案。

　 图4.3

　四个焊盘中心打过孔 （3）焊盘上打孔 CSR公司的蓝牙芯片为BGA封装，如BC213159A为0.5mm引脚间距，采用直接在BGA焊盘上打激光盲孔至第二层后引线。由于PCB厂加工工艺水平的限制，继续采用(1)和(2)所述的方式走线使过孔盘和B GA盘边距太小，机械孔也到了最小工艺水平。如图所示直接在盘B2上打激光过孔至第二层，该孔尺寸为0.1/0.3 mm，然后在第二层走线至安全的地方再打机械过孔至顶层或者底层即可，并将焊盘尺寸设为0.35mm。这种方案区别(1)和(2)最主要是它在第二层走线。TTB 103蓝牙模块采用此方案。

　 图4.4

　焊盘上打孔引线 3.PCB工艺参数 确定PCB工艺参数是设计蓝牙射频模块的重要组成部分，它也与模块的PCB设计方法信息相关，直接关系到模块的射频性能、安装水平、大规模生产可行性等方面。TTB102蓝牙模块的PCB工艺参数主要有以下几部分。

　(1) 基本工艺参数如表4.1；

　 表4.1

　TTB102J基本参数

　其中PCB尺寸要求严格保证+/―0.1mm误差范围，因为蓝牙模块需要通过测试，测试需要定制特定的测试制具对模块进行定位，由于模块实际尺寸太小,只能采用边界定位，所以对电路板的尺寸误差有严格的限制。

　(2) 阻焊层(Mask)参数如表4.2；

　 表4.2

　阻焊层参数

　(3) 丝印层(Silk)参数如表4.3；

　 表4.3

　丝印层参数

　(4) PCB叠层参数如表4.4；

　 表4.4

　PCB叠层参数

　(5) PCB加工用Geber文件与电路板对应关系如表4.5；

　 表4.5

　PCB加工用Gerber文件与各层对应关系

　(6) PCB加工Drill(钻孔)文件如表4.6；

　 表4.6

　PCB加工用Drill文件

　4.1.3

　原理图设计 蓝牙模块功能设计首先完成原理图设计。既然是模块化设计，需要将一些通用和设计难度较大的电路置于模块内，定制对外标准化接口，而模块作为一个独立的元件表面贴装于其它主板上。蓝牙模块原理图一般由以下几个方面组成：

　(1)蓝牙芯片电路 蓝牙芯片是模块的中心，其它电路都将围绕该芯片设计、布局、走线。选择合适的蓝牙芯片，确定芯片的引脚功能和连接方式，特别注意电源和地引脚的连接方式。

　(2)存储器电路 某些蓝牙芯片需要外挂8Mbits Flash，例如CSR蓝牙芯片BCZ12015BDN，则需要确定Flash和蓝牙芯片如何连接，Flash电源、地、使能信号如何连接，Flash是否具有可替换性。

　(3)时钟电路 一般蓝牙芯片都需要外接一个晶体，相对比较简单，只需要连接好地线。

　(4)电源电路 模块需要外部供电，模块一般集成直流电压转换芯片，将3.3V转换为1.8V等，需要考虑电源芯片的输出功率是否满足最大负荷要求，与此同时，针对不同的应用，如果在电池供电情况下，需要选择DC心C电压转换芯片，否则可以采用LDO，因为前者较后者有更高的转换效率。

　(5)射频前端短路 基于所选择的蓝牙模块，设计相应的射频前端电路，特别是针对Class 1蓝牙模块的前端电路设计较为复杂，需要较高射频处理经验，包括射频功放、射频开关、滤波器、匹配等电路。设计Class 2蓝牙模块射频前端电路相对简单，只需在蓝牙芯片基础上连接匹配电路、去祸合电路、滤波器电路等。同时需要在模块上设计屏蔽罩以减小干扰。

　(6)电路兼容性 为了进一步降低开发成本和优化调试功能，需要对某些电路增加兼容性考虑。首先，CSR推出的蓝牙芯片有部分从功能、引脚定义都具有一定的兼容性，即采用同一块PCB可以兼容多个蓝牙芯片，由于蓝牙模块的射频性能，尽量减少重复设计的次数。例如BC2-AUDIO和BC3-ROM具有一定的兼容性，在原理图设计时只需要对个别引脚做相应的处理，这些处理主要集中在电源引脚和地引脚，设计模块化的电源是最佳的兼容性方案。其次，针对某些元器件，考虑如存储器、电源芯片的缺货、停产、价格上涨等因素，预留一定的替代空间，需要在设计原理图时对可替代芯片做详细分析。

　(7)接口电路 接口电路是蓝牙模块的对外接口，将RF、USB、SPI、DART、PCB等接口全部引出，必须针对外围电路特点、蓝牙芯片引脚功能定义接口顺序。

　4.1.4

　对外接口定义及封装 蓝牙模块需要引出至对外接口的端口主要有:

　 (1)USB接口：引脚USB D+、USB D-；

　 (2)UART接口：引脚DART_RX、UART_TX、DART_CTS、DART_RTS；

　 (3)PCM接口：引脚PCM_SYNC, PCM_IN, PCM_OUT、PCM_CLK；

　 (4)SPI接口：引脚SPI_CLK, SPI_MISO, SPI_MOSI, SPI_CSB；

　 (5)AIO接口：AIO[0]、AIO[1]；

　 (6)PIO接口：PIO[0]、PIO[1]、PIO[2]、PIO[3]、PIO[4]、PIO[s]、PIO[6]、PIO[7]、PIO[8]、PIO[9]、PIO[10]、PIO[11]；

　 (7)引脚RESET；

　 (8)RF天线接口；

　 (9)电源接口：3.3V、1.8V；

　(10)地线：GND。

　根据模块尺寸和布局一般有两种封装结构：

　(1)底层左右两列接口封装如图4.5（a），TTB102蓝牙模块采用此方式； (2)底层四周接口封装如图4.5（b），TTB103蓝牙模块采用此方式。

　 图4.5

　模块对外接口封装 考虑到模块测试制具的设计，所以对封装结构中每一个外接焊盘大小和焊盘中心间距有最小限制，保证现有的测试探针能适用。与此同时，用于探测射频信号的探针区别于一般信号探针，该探针在射频同轴电缆探针，射频信号探针外包围一个圆形的地线探圈，所以设计射频探测焊盘时不但需要设计射频信号盘、圆形地焊盘，同时考虑射频探针的尺寸较大，必须考虑是是否占用旁边用于放置其它信号探针的垂直空间，如果是，则可以将该无法探测的引脚定义为地引脚。蓝牙模块最终需要与其它主板连接，则连接的焊盘可以设计成多样，第一种焊盘完全位于底层，同时紧靠模块板边;另一种是在第一种的基础上在将焊盘延伸至电路板侧面，可以通过焊盘设计过孔，该过孔连接外接焊盘，同时将焊盘中心作为电路板的边界线。

　4.1.5

　射频信号处理 射频信号优劣直接影响到模块的通信距离，必须保证射频性能的可靠性和一致性。一方面，在确定原理图设计的基础上需要严格控制元器件件的精度参数，而主要射频芯片性能基本由生产厂商保证，主要是电感、电容和电阻的精度;另一方面，最佳化布局射频元器件，对于某些匹配电路尽量形成空间上的对称，射频信号走线尽量短;再有，可以通过调整线宽来保证该传输线的50。阻抗值，因为电路板的叠层结构和材料、铜箔厚度等确定后，而射频走线长度不是轻易能改变，所以可以计算2400MHZ信号下、保证50。阻抗值对应的线宽，采用该线宽设计射频走线，则最终PCB加工时自然可以过细微调节线宽来保证50。阻抗值。

　4.1.6

　拼板处理 蓝牙模块实际尺寸较小，需要对其进行拼板处理，加工电路板时将多块模块合在一起加工，一起贴片，能极大地提高生产效率。

　拼板时需要注意以下几点：

　(1)拼板后的实际尺寸大于贴片机最小能过承受的宽度； (2)选择一定的模块连接方式，可以在四边中心建立邮票孔连接； (3)设计多个Marker点用于贴片机定位； (4)注意拼板后电路板的强度。

　4.2

　CSR蓝牙芯片 CSR公司生产的蓝牙芯片主要由BC01、BC2、BC3三个系列，其中BC01已经不再生产，BC2为主流蓝牙芯片，BC3也在逐步推出，如图4.6 CSR蓝牙芯片系列展示。设计蓝牙模块，应用蓝牙技术，首先需要选择恰当的蓝牙芯片，需要对CSR公司的蓝牙芯片进行仔细分析。

　 图4.6

　CSR蓝牙芯片系列展示 4.2.1

　BC01芯片 BC01是CSR公司推出的第一块蓝牙芯片，也是业界推出的第一片真真的单芯片蓝牙方案。采用CMOS技术，集成射频和基带技术，符合蓝牙1.1版标准，8mm x 8mm 81-bal1 BGA。适合用于PC、移动电话、PDA等集成蓝牙技术。该芯片现在停产。

　4.2.2

　BC2系列芯片 1.BC2—EXTERNAL BC2—EXTERNAL是BC2系列中最重要的芯片，具有最强的通用性，符合蓝牙1.1或者蓝牙1.2版标准，在BC2系列中只有该芯片可以支持蓝牙1.2版标准，该版标准支持AFH，适合与802.lbl更好地共存。适合用于PC、PDA、鼠标等PC外设等集成蓝牙技术。

　该芯片需要外接8MbitFlash，具有继续升级的可行性，96引脚BGA封装，有6 x 6mm、8 x 8mm、10 x 10mm三种封装尺寸。采用0.18 um CMOS技术，单片集成射频和基带技术。TTB102蓝牙模块采用8 x 8mmBC2—EXTERNAL。如图4.7为BC2—EXTERNAL系统结构，包括Radio、RAM、DSP、MCU、I/O接口和Flash接口，其中I/O接口有SPI、UART/USB、PIO、PCM[11] 。

　 图4.7

　BC2-EXTERNAL系列结构 2.BC2—FLASH和BC2—AUDIO BC2—FLASH和BC2—AUDIO符合蓝牙1.1版标准，具有相同的封装结构和引脚定义，两者芯片内部都集成了4Mbit存储器，只是BC2—FLASH集成Flash，可以重复下载程序，而BC2—AUDIO集成ROM，只能由芯片厂商进行一次程序下载。所以在开发阶段可以使用BC2—FLASH，具有较大的灵活性和可行性，等待软硬件完全成熟，同样的软硬件环境下，只要将BC2-FLASH替代为BC2—AUDIO。事实上，BC2—AUDIO较BC2—FLASH有较大的成本优势，在大规模生产阶段顺理成章选择该芯片。

　BC2—FLASH和BC2—AUDIO主流应用于蓝牙耳机，当然可以用于PDA、鼠标和键盘等微机外设。该芯片较BC2—EXTERNAL除了集成存储器以外，还集成一个单声道的语音编解码器(Codec)，直接支持模拟信号的语音接口，利于进一步增加集成度、降低生产成本。与此同时，BC2—FALSH和BC2-AUDIO同时有集成了Regulator(直流电源转换器)，在芯片内部将3.3v转为1.8v，较BC2—EXTERNAL有了较大的改进。TTB103蓝牙模块使用BC2-AUDIO开发蓝牙耳机。

　如图4.8为BC2—FLASH和BC2—AUDIO系统结构，包括Radio、RAM、DSP、MCU、Codec、I/O接口和4Mbit存储器(BC2—FLASH为Flash，BC2—AUDIO为ROM)，其中I/O接口有SP1、UART/USB、PIO、PCM、Audio/In/Out[12] 。

　 图4.8

　BC2-FLASH和BC2-AUDIO系列结构 3.BC2—FLASH和BC2—ROM BC2—ROM是集成射频、基带技术的单芯片蓝牙系统，符合蓝牙1.1版标准，在封装和功能上与BC2-FLASH相互兼容，只是BC2-FALSH集成语音编解码器，而BC2—ROM去掉该部分，适合BC2—FALSH的软硬件环境同样适合BC2—ROM，只是在电源等部分引脚设置上有细微差别，可以在硬件设计过程中设计独立电源模块来增加兼容性。所以在开发阶段，使用BC2—FLASH调试软硬件环境，可以重复下载应用软件，一旦完全成熟，则必然采用BC2—ROM以降低成本。

　BC2—ROM可以用于移动电话、PDA、鼠标和键盘等微机外设集成蓝牙技术。如图4.9为BC2—ROM系统结构，包括Radio、RAM、DSP、MCU、I/O接口和4MbitROM，其中I/O接口有SPI、UART用SB、PIO、PCM等。

　 图4.9

　 BC2-ROM系列结构 4.2.3

　BC3系列芯片 1.BC3-ROM CSR公司推出的一款支持蓝牙1.2版标准的ROM芯片，它与BC2—ROM具有软硬件的兼容性，系统结构与BC2—ROM完全相同。如图4.10所示BC3—ROM的系统结构[11]。

　 图4.10

　BC3-ROM系列结构 2.BC3-MULTIMEDIA BC3—MLJLTMIEDIA是一款CSR公司推出的支持立体声处理的单芯片蓝牙系统，支持蓝牙1.2版标准，集成Kalimba DSP对立体声进行实时处理，同时集成8Mbti FLASH和Regulator，专门用于立体声耳机、汽车免提系统等对语音处理能力要求较高的应用场合。

　如图4.11为BC3—MLJLTMIEDIA系统结构，包括Radio、RAM、DSP、MCU、I/O接口和8Mbit Flash，其中I/O接口有SPI、UART用SB、PIO、PCM、Audio In/Out等。

　 图4.11

　BC3-MULTIMEDIA系列结构 4.3

　基于BC2—EXTERNAL蓝牙模块设计(TTB102) 4.3.1

　设计目标 选择8 x 8mm BC2—EXTERNAL为核心设计模块，定名为TTB102。将蓝牙芯片的所有对外接口，包括PCM、PIO、SPI、AIO、RESET、UART、USB，以及射频前端电路的天线接口引出。采用四层电路板设计，顶层放置所有元件，第二层为地层，第三层为电源层，底层定义对外接口和封装，特别需要设计射频测试盘结构。该模块主要用于蓝牙鼠标、蓝牙键盘、蓝牙USB适配器。TTB102为Class 2蓝牙模块，标称10m通信距离，需要通过蓝牙测试仪(Anrtiius：MT8852A)测试射频性能，采用专门设计的测试制具连接蓝牙模块和测试仪器，通过所有蓝牙RF测试标准定义的测试项目。

　4.3.2

　对外接口定义及封装 TTB102蓝牙模块采用电路板底层双列边缘封装，接口定义及封装尺寸如图4.12所示。

　 图4.12

　TTB102蓝牙模块对外接口定义及封装 4.3.3

　原理图 TTB 102蓝牙模块系统结构如图4.13所示，该蓝牙模块除了基本电阻、电容、电感，主要芯片有BC212015BDN、TN4-25820、AM29LV800D、XC6204、HHM1517, MDR771F。模块外部接口包括所有蓝牙对外接口、天线接口、电源接口。由XC6204承担对蓝牙芯片、存储器、Balun等的供电。对外接口设计1V8具有双重意义，一方面可以对外供1V8电;另一方面，也可以模块外部电路给模块供电，以防XC6204出现任何异常。图4.14为TTB 102蓝牙模块原理图。

　图4.13

　TTB102蓝牙模块系统结构 4.3.4

　PCB设计 TTB 102蓝牙模块叠层结构如下:

　 (1)顶层，放置元件、走线，如图4.14（a）所示；

　 (2)第二层:地线层，为大面积接地，如图4.14（b），该图展示反向信息，有颜色覆盖的地方表示没有铜，没有颜色的地方表示大面积地盘；

　 (3)第三层:电源层，为大面积独立电源模块，如图4.14（c）所示，该图与第二层类似，展示反向信息，图中有三块独立的电源模块，分别为上边的1.8V电源模块、下部的3.3 V电源模块和中间的VMEM电源模块，其中VMEM实际电压也为3.3 V，通过0。电阻连接到3. 3V，以达到给Flash独立供电的设计；

　 (4)底层不放置元件，用于走线，否则该模块就无法表贴到其它电路板上，如图4.14（d）所示，在板的两侧边沿定义了两列对外接口。

　 图4.14

　TTB102蓝牙模块电路板各层走线 4.3.5

　测试 蓝牙模块测试主要是指射频测试，采用仪器为MT8852A，通过特制的模块制具连接模块RF接口和测试仪器。连接方式如图4.17所示，每一个模块出厂前都需要通过射频测试。

　 图4.15

　蓝牙模块测试系统 首先，通过HCI指令将被测蓝牙设备置于测试状态这些指令包括：

　(1)Set Event Mask Command，该指令将蓝牙设备置于允许自动建链状态； (2)write Inquiry Scan Activiy Command，该指令设置蓝牙设备的查询扫描窗口和周期参数； (3)Write Page Scan Activiy Command，该指令设置蓝牙设备的寻呼扫描窗口和周期参数； (4)Write Scan Enable Command，该指令用于开启查询和寻呼扫描状态，没有该指令，被测蓝牙设备将无法被查询和建链； (5)Enable Device Under Test Mode Command，该指令用于将被测蓝牙设备置于测试模式。

　然后，使用Anritsr提供的Bluetest软件控制蓝牙测试仪MT8852a完成对被测蓝牙设备(EUT)的测试，该仪器提供的测试项目如下，在大规模生产时，为了提高生产效率，可以只测试一部分项目。

　(l)TRM/CA/01/C(Outpout power)； (2)TRM/CA/08/C(Initial Carrier)； (3)TRM/CA/09/C(Carrier Drift)； (4)TRM/CA/07/C(Modulation Characteristics)； (5)RCV/CA/01/C(Single Slot Sensitivigy)； (6)RCV/CA/02/C(Multi Slot Sensitivigy)； (7)RCV/CA/06/C(Maximum Input Level)。

　4.3.6

　应用

　图4.16

　基于TTB102蓝牙模块无线鼠标系统结构 TTB102蓝牙模块用于蓝牙鼠标、键盘、USB适配器等，支持蓝牙1.2版标准。以蓝牙鼠标应用为例，只需要在TTB102基础上连接鼠标光学定位芯片、按键和指示电路、电源电路。如图4.18所示基于TTB102蓝牙模块的无线鼠标系统结构，其中ANDS—2030为Agilent无线鼠标光学定位芯片。

　 总结 本文首先对现今常用和最新的几种无线通信技术进行了研究和阐述，并通过各自优缺点的对比，决定采用蓝牙技术来设计通信系统，应用到本文的设计中去。此外本文分析了最基础的基带技术和射频技术，它们是研究、设计和应用蓝牙技术的前提，为后续蓝牙技术开发奠定了较好的基础，更有利于充分理解蓝牙射频、链路和测试等内容，也成为蓝牙无线通信教学实验系统的主要教学内容之一。除此之外，理解和掌握射频和基带技术，有利于理解无线通信系统的一般特征，为今后学习和应用其它无线通信技术奠定了基础，具有典型的代表意义。

　论文完成了TTB102蓝牙模块的设计工作。TTB102是基于CSR蓝牙芯片BC21201B5DN设计，该芯片是CSR蓝牙芯片系列中最具代表性、最具兼容性、功能最强的方案，适合应用所有蓝牙应用领域，当然考虑到蓝牙技术应用成本和技难度，一般可以将TTB102蓝牙模块用于蓝牙鼠标、蓝牙键盘、蓝牙USB适配器，其中蓝牙鼠标和蓝牙USB适配器已经得到了产业化应用。

　论文以蓝牙技术射频和基带技术为基础，完成了必要的蓝牙模块设计工作，另一方面，论文中还存在许多欠缺和不足，对于一些工程设计缺少必要的理论分析;对于一些理论依据没有充分地论证;对于蓝牙技术的应用设计仍需要通过大规模生产的考验。

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　致谢 本文是我在鲁旭涛老师的悉心指导下完成的。在此次论文的完成过程中，自始至终受到鲁老师的支持和帮助，从论文的选题到论文的成稿，无一不凝聚着鲁老师的心血和关怀。

　回顾做毕业设计的几个月，通过鲁老师的提供资料和耐心讲解，使我对整个大学四年所学的知识有了更深刻的认识，在课题研究等专业方面的能力有了很大的提高，也使我更加了解到所学的专业知识在实践应用方面所发挥的重要作用。鲁老师渊博的知识、深刻的洞察力、丰富的实践经验、严谨勤奋的工作作风、平易近人的态度以及正直的人格魅力和要求我们不断创新的风格给我留下了深刻印象，使我在做人、做事方面受益匪浅，永远是我学习的楷模!在此，谨向鲁老师表示最诚挚的谢意和最崇高的敬意。

　同时，也衷心感谢答辩委员会以及对此论文进行评阅、评议的全体专家，以及那些帮助过我的其他老师和同学们！

　 附录一 原器件清单 序号 元件名称 数量 规格备注 1 芯片 BC212015BDN-E4 1 96管脚 2 芯片 MBM29LV800BA-90 1 48管脚 3 芯片 TN4-25820 1 38管脚 4 芯片 XC6204B182MR 1 5管脚 5 芯片 MDR741F 1 4管脚 6 芯片 BALUN 1 6管脚 7 芯片 HHM1517 1 4管脚 8 电容 2 1μF 2 1000pF 4 30pF 4 0.33μF 6 0.1μF 9 电阻 2 1KΩ 1 20kΩ 1 100kΩ 1 4.7kΩ 1 10KΩ 1 150Ω 10 电感 2 50uh 1 100uh

　附录二 系统电路原理图

　附录三 系统电路PCB图