一种蓝牙基带芯片实现的系统架构

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1、蓝牙作为短距离通信的一种解决方案，从1998年发布的蓝牙协议V0．7，到2009年协议V4．0的发布，蓝牙功能和结构有了很大变化，不断向着更安全、更低耗、更快速的方向发展。V2．0引入增强型数据传送方式(EDR)使蓝牙传送速率从1Mb／s提升到3Mb／s；V3．0融合了IEEE802．11协议，使传送速率达到24Mb／s；V4．0为降低蓝牙的功耗增加了低功耗工作模式。蓝牙基带是蓝牙协议最核心最稳定的部分。本文根据协议V4．0按功能对蓝牙基带模块进行架构，详细阐述蓝牙基带的工作原理，并扼要说明各协议版本的新特征对蓝牙基带构架带来的影响。　　1 蓝牙基带划分以及各部分功能 　　基带主要完成编码、解

2、码、加密、解密、分组处理和跳频频率的生成和选择，同时管理同步和异步链路、处理数据包、寻呼、查询、连接蓝牙设备、鉴权等。蓝牙基带协议是电路和分组交换的结合。图1是按功能划分的蓝牙基带的构架图。 图1蓝牙基带的构架图　　1．1打包器 　　蓝牙的功能是发送和接收数据，打包器是将上层数据按格式组合后通过物理层(PHY)发送出去，是核心功能部件。图2为基本速率包的格式。 图2基本速率包的格式　　图2中接入码用于同步、DC偏移补偿和标识；分组头包含链路控制消息；净荷是要传送的内容，为了提高传送信息的准确性，要经过白化、CRC校验、FEC编码等检错纠错过程，为了保证传送信息的安全性还要对信息进行加密。根据不

3、同情况，包的具体结构是不同的，BR有15种包格式。V2．0引入了新的信息编码方式，新增加10种包的格式，包的格式也有所差异，但工作原理是类似的。低功耗工作模式和BR／EDR工作模式在基带和物理层可以共用，因此加入低功耗工作模式后打包器的结构会改变。打包器的工作细节如下：　　(1)逻辑控制器根据不同情况控制打包的流程。根据不同的通信需求，数据包的类型大体分为：链路控制分组、ACL分组、SCO分组，分别传送控制信息、异步通信数据、同步通信数据。定时器是逻辑控制器的辅助模块，控制数据的处理次序及接入码、分组头、净荷各部分数据处理和融合的时间；EDR分组含有同步序列，FHS分组也含时钟信息，因此需要系

4、统时钟信息。　　(2)包的数据信息来源有两个：主机地址、包的类型、上次分组接收的状态、接收方的微微网内地址等信息从参量寄存器中取得，这些信息主要含在接入码和包头中；TX_BUF(发送缓存器)存储等待发送的数据，这些数据来源于上层部分。　　(3)为了防止信息在传输过程中泄露，需要对信息进行加密，密钥产生器生成加密密钥，净荷和加密密钥在相关器中完成加密操作。　　1．2解包器 　　解包器的主要工作有：检验接收到的数据是否已损坏。把信息从接收到的分组中提取出来。解包器的工作细节和相关模块的协同工作关系为：　　(1)逻辑控制器控制解码主体流程；参量寄存器提供相关工作信息，例如微微网的主机地址以确认信息发

5、送方为网内成员，链路建立阶段也需要向参量寄存器写入随机数、扫描间隔等信息；定时器控制解码流程；密钥产生器提供解密密码。　　(2)解码器首先检测接入码以确认接收信息是否为网内成员发送，然后进行CRC校验、BCH解码以检测分组是否已损坏，其次检测分组头信息以判断分组的状态。如果检测到分组已经损坏，将状态信息写入状态寄存器中，上层管理器和控制器通过检查寄存器的信息，决定重传或放弃分组(主要针对ACL数据传输)。分组的信息回馈给逻辑控制器，逻辑控制器根据分组的类型确定回复分组的格式以及时刻，在一定范围内控制重传和丢弃分组。　　(3)将解码后的数据信息写入RX_BUF(接收缓存器)中传给主机，控制信息直

6、接传给LM，LE，AMP管理器。　　1．3密钥产生器 　　密钥产生器的功能有：为鉴权产生各种密钥包括初始密钥、组合密钥、临时密钥(节点密钥在新协议中已被禁用)；启动加密配置后，产生加密密钥和解密密钥；随机数产生器。与相关模块的关系为：　　(1)逻辑控制器。逻辑控制器的主要事务：启动鉴权模式后，根据通信双方的状况控制密钥产生器生成不同的链路密钥；确定加密密钥的长度；根据不同的工作模式确定产生加密密钥的类型，BR／EDR模式下密钥类型为SAFER+，SAFER+是基于现有的64位分组密码的SAFERSK128，仅使用了字节运算，LE模式下密钥类型为AES-128。　　(2)ADDR，PIN等数据信

7、息从参量寄存器中取得，生成链路密钥或更换密钥时需向参量寄存器写入新的密钥；定时器、系统时钟控制生成链路密钥的时序和速率。　　(3)在相关器中完成密钥和分组数据的加密和解密操作。　　1．4跳频序列发生器 　　跳频通信是保障蓝牙通信安全的重要手段。通过控制发送数据所使用的频率在一个伪随机序列中跳变，达到预防信息泄露的效果。其工作相关部件有：　　(1)控制寄存器和逻辑控制器共同控制跳频序列的模式是23跳