蓝牙通信技术及应用分解.docx
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蓝牙通信技术及应用分解
目录
1.选题背景及意义:
2
2.蓝牙通信技术及蓝牙系统介绍:
2
2.1蓝牙技术简介:
2
2.2蓝牙协议（HCI）介绍:
3
2.3蓝牙系统结构简介:
4
2.4MT1020A基带控制器和PH2401无线收发器介绍:
5
2.4.1MT1020A基带控制器的结构与原理5
2.4.2PH2401无线收发器与嵌入式控制内核功能介绍:
7
3.蓝牙适配器介绍:
8
4.蓝牙技术指标和系统参数8
5.蓝牙通信安全的技术实施9
5.1ＤＨ方案9
5.2ＲＳＡ方案9
6.蓝牙技术的应用10
7.蓝牙技术的展望11
结束语：
12
参考文献13
前言
越来越多数字电子产品借着新科技提升本身的性能和实力。
以目前发展的趋势来看,未来消费性电子产品将有两个重要的发展指标,一是使用蓝牙技术这类开放技术,以无线,局域网络,可携带式设备成为网络体的延伸。
另一项则是内存规格的统一,加密以及轻量化应用。
无论您喜不喜欢,“蓝牙计划”这个名词几乎已到了无孔不入的境界,不论是商业财经台还是一般大众电视台,都不只一次以上报导这个计划的进展与新闻,话虽如此,但却很少人了解此计划的原意与来龙去脉,只知道有这样一个计划正如火如荼地进行,且声势浩大、似乎充满无限希望。
可预见的,未来与蓝牙计划相关的新闻只会更多,因为计划正一步步实现中。
蓝牙（Bluetooth）简单讲就是一种电信、计算机的无线传输技术。
单从字面上很难了解蓝牙是个怎么样的技术,他不像“GSM”一样可以望文生义。
简单的说蓝牙是一种无线网络与消费性电子产品之通讯技术,透过无线传输和基频模块构成,其快速响应和跳频系统的特性使无线传输更佳稳定。
可以应用在各种电子产品如:
笔记型计算机、行动电话、数字相机和其它相类似电子产品等。
正文
1.选题背景及意义:
随着微电子技术、通信技术和计算机技术的发展，计算机发展已经进入移动时代。
以掌上电脑（PDA）为代表的移动式计算系统已日益普及。
特别是工业高度发展的今天，对工业现场的通信与数据实时处理要求越来越高。
在环境恶劣与布线不便的工业场所，设备间无线通讯与PDA辅助处理成了工业现场的最佳选择。
蓝牙是一种低成本、高可靠性的无线传输技术，蓝牙通信是实现PDA与工业接入点通信的首要环节。
蓝牙技术是用微波无线通信技术取代数据电缆来完成点对点或点对多点短距离通信的一种新型无线通信技术。
而蓝牙芯片则是蓝牙技术的基础和关键。
2.蓝牙通信技术及蓝牙系统介绍:
2.1蓝牙技术简介:
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“蓝牙”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2.4GHzISM（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。
截止2009年4月，蓝牙共有五个版本V1.1/1.2/2.0/2.1/3.0。
以通讯距离来在不同版本可再分为ClassA
（1）/ClassB
（2）。
2.2蓝牙协议（HCI）介绍:
蓝牙SIG开发了蓝牙协议规范,已发布版本包括1.0,1.0b,1.1和2.0。
蓝牙协议规范允许开发人员开发基于可互操作的无线模块和数据通信协议的交互式服务和应用,目的是使符合该规范的各种应用之间能够实现互操作。
蓝牙协议栈体系结构如图所示。
蓝牙1.0标准由两个文件组成。
一个是核心部分（FoundationCore），它规定的是设计标准。
另一个叫协议子集部分（FoundationProfile），它规定的是运作性准则。
蓝牙协议可以分为4层，即核心协议层、电缆替代协议层、电话控制协议层和采纳的其它协议层。
由于篇幅的限制，本文只介绍核心协议。
蓝牙的核心协议包括基带（baseband）、链路管理（LMP）、逻辑链路控制与适应协议（SDP）四部分。
基带层：
蓝牙采用跳频扩频技术，每秒1600跳，从时间域看即每个时隙长度是625μs，即每个时隙从79个信道中选择一个。
蓝牙既支持电路型数据，也支持分组型数据；既支持点对点连接，也支持点对多点连接。
在一个微微网络（Pieconet）中，一个单元作为主节点，其他作为从节点，最多可以有7个从节点；但是允许有更多从节点与主节点保持在Park状态。
从节点对信道的接入由主节点控制。
微微网络在覆盖上可以有重叠：
每个网络有各自的跳频方案，一个网络的主节点可以同时作为另一个网络的从节点；一个从节点可以属于多个网络。
主节点向从节点发送数据只能占用偶时隙，反之从节点只能在奇时隙才能向主节点发送数据。
一个分组（Packet，实际上更习惯的说法是帧，因为在基带层其地位类似于OSI的第2层、部分涉及物理层，分组的确切用法在第3层，但是蓝牙基带层规范中采用Packet术语）的传送最多可以占用5个时隙，在一个分组的传送期内，维持初始时隙所占用的信道而不再跳频。
链路管理（LMP）负责蓝牙组件间连接的建立。
通过连接的发起、交换、核实，进行身份鉴权和加密等安全方面的任务；通过协商确定基带数据分组大小；它还控制无线单元的电源模式和工作周期，以及微微网内蓝牙组件的连接状态。
逻辑链路控制与适应协议（L2CAP）位于基带协议层之上，属于数据链路层，是一个为高层传输和应用层协议屏蔽基带协议的适配协议。
其完成数据的拆装、基带与高协议间的适配，并通过协议复用、分用及重组操作为高层提供数据业务和分类提取，它允许高层协议和应用接收或发送长过64K字节的L2CAP数据包。
业务搜寻协议（SDP）是极其重要的部分，它是所使用模式的基础。
通过SDH，可以查询设备信息、业务及业务特征，并在查询之后建立两个或多个蓝牙设备间的连接。
SDP支持3种查询方式：
按业务类别搜寻、按业务属性搜寻和业务浏览（browsing）。
2.3蓝牙系统结构简介:
MT1020基带控制器和PH2401无线收发器分别由MITEL公司和PHILSAR公司提供,两者配合可构成完整的低功耗的蓝牙模块,提供高至HCI（主机控制接口）层的功能。
它们在蓝牙系统中的位置如图所示。
MT1020基带控制器负责蓝牙基带部分的功能,完成基带以及链路的管理,包括对SCO（同步）和ACL（异步）连接方式的支持、差错控制、物理层的认证与加密、链路管理等;PH2401实现数据的无线接收和发送;虚线以上部分由用户根据不同的应用需求来实现，分为用户主机端和用户PDA端。
特别值得一提的是,在该蓝牙模块解决方案中,即将推出的改进型基带控制器MT1020B可提供20K的用户ROM,使用户可以利用其内嵌的低功耗、高性能的32位ARM7TDMI内核,从而简化用户设计,实现最低楞耗、最高集成度的蓝牙产品。
2.4MT1020A基带控制器和PH2401无线收发器介绍:
工业现场接入点通过传感器将信号传入MT1020A中再经PH2401无线收发器将信号发射给上位机处理，本章主要介绍基带控制器与无线收发器的结构与原理。
2.4.1MT1020A基带控制器的结构与原理
MT1020A是MITEL公司推出的低成本、微功耗蓝牙基带控制器芯片。
它和其它的无线收发器一起可以构成一个完整的低功耗小于蓝牙技术系统。
MT1020A采用CMOS工艺制作,是低功耗无线通信应用系统中理想的蓝牙基带微处理器件。
它的引脚排列如图所示：
MT1020A采用11×11球形焊珠阵列121脚SSBGA封装形式。
图3为其引脚排列图。
MT1020由嵌入式微处理器和蓝牙基带外设组成,如图4示。
在该芯片中,系统内部时钟可以低至5MHz、内核供电电压为2V、硬件解码、支持DMA传输,所有这些使得该芯片具有超低功耗。
MT1020A的基带外围电路主要由主机接口、总线接口、蓝牙链路控制器、12kB缓冲RAM、队列管理器、音频编解码器以及音频和其它通信接口电路功能块组成。
该部分可用最小的软硬件开销完成各种重要的蓝牙系统操作。
基带外围电路中的总线接口主要用于完成微处理器与基带外围电路之间的各种通信,而外围电路内部各部分之间的数据传输则使用外围电路中的BT总线来完成。
键路控制器用来完成与外部无线收发器之间的通信,以实现数据发送时的装配、加同步字、帧头和CRC校验以及数字接收时的解码和检错等。
缓冲RAM是专门存储蓝牙数据包和变量的存储器,容量为12kB。
队列管理器可实现缓冲RAM与链路控制器以及主机接口与音频或其它通信接口之间的DMA传输。
音频解码器是一个全双工的解码器,内含麦克风放大器和耳机驱动器,其中的数字转换器可进行线性PCM、A律PCM、μ律PCM和CVSD间的相互转换。
2.4.2PH2401无线收发器与嵌入式控制内核功能介绍:
PH2401单片无线收发器用砷化镓工艺制造,具有高集成度、超低功耗、体积小等优点,专门优化用于2.4GHz无线个人系统,完全兼容蓝牙规范“BluetooothV1.0”。
它工作于2.4GHz的ISM频段,以每秒1600次的速度在79个频道（2.402GHz-2.408GHz）上快速跳频,最大位传输速率可达1Mbit/s。
PH2401采用调制指数为0.3的高斯频移键控制（GFSK）调制方式,信道带宽为1MHz,频偏在140kHz-175kHz之间,满足蓝牙2级和3级操作,送功率可在-10dBm-+2dBm之间编程设定,发射范围为10-100m。
接收器由RF-IF下变频器、自动增益控制（AGC）、滤波器、双通道模/数转换器及调制器组成。
基带控制器通过串行总线与PH2401接口。
通过对其内部寄存器的读写实现跳频、调谐等其它控制。
工业现场，MT1020A和PH2401所组成的蓝牙系统框图如图所示：
蓝牙系统的具体接线：
本文用该芯片的串行异步收发器1，也就是E3（U1txd）：
UART1——数据发送端，和F3（U1rxd）：
UART1——数据接收端与工业现场接入点的传感器信号或控制仪表相连;用蓝牙外围电路的无线接口J6（Ri_spi_misod）：
（无线电串行接口数据输入）L6（Ri_spi_misod）：
（无线电串行接口数据输出）与PH1024无线收发器相连;用C11（Gpio<0>）：
通用I/O口，D9（Gpio<1>）：
通用I/O口，D10（Gpio<2>）：
通用I/O口，E8（Gpio_<3>）：
通用I/O口或芯片USB唤醒输出引脚，这四个通用I/O端口连接一个液晶显示屏，以显示接收到的数据。
其它再具体的接线本文限于篇幅不再赘述。
3.蓝牙适配器介绍:
蓝牙USB适配器采用CSRBlueCore04,可去市场购买，价格大概在三十到四十元左右，用时先向PC机里面装相应的驱动程序，再将USB适配器插入PC机的USB接口中即可与MT1020A端和PDA端进行通信。
至此工业现场通信的三方通信硬件平台的搭建已基本完成，三方通信框图如图所示：
蓝牙适配器图片
4.蓝牙技术指标和系统参数
工作频段ISM频段，2.402~2.480GHz
双工方式全双工，TDD时分双工
业务类型支持电路交换和分组交换业务
数据速率1Mb/s
非同步信道速率非对称连接721/57.6kb/s，对称连接432.6kb/s
同步信道速率64Kb/s
功率美国FCC要求＜0dbm（1mW），其他国家可扩展为100mW
跳频频率数79个频点/MHz
跳频速率1600次/s
工作模式PARK/HOLD/SNIFF
数据连接方式面向连接业务SCO，无连接业务ACL
纠错方式1/3FEC，2/3FEC，ARQ
鉴权采用反应逻辑算术
信道加密采用0位、40位、60位密钥
语音编码方式连续可变斜率调制CVSD
发射距离一般可达10~10cm，增加功率情况下可达100m
5.蓝牙通信安全的技术实施
5.1ＤＨ方案
使用ＤＨ算法建立双方加密信息所用的密钥，其工作流程如下。
在第一次通信中，当通信状态已经确立后，发送方通过无线跳频信号传送Ａ给接收方。
Ａ＝ｇ＾ｘｍｏｄｐ
接收方在收到Ａ之后，发送Ｂ给发送方。
Ｂ＝ｇ＾ｙｍｏｄｐ
然后，发送方和接收方做以下计算：
ｋｅｙ＝ｇ＾ｘｙｍｏｄｐ
由于双方都具有了ｋｅｙ，当双方作进一步通信时，它们可以对发送文件或数据Ｍ作加密。
Ｃ＝ｋｅｙＭ
接收方可以使用同样的ｋｅｙ得到明文。
Ｍ＝ｋｅｙＣ
ＤＨ方案有它的缺点，即主要是对用户没有作身份认证。
5.2ＲＳＡ方案
ＲＳＡ方案可以有效地解决用户的身份认证和密钥的确立，其工作流程如下。
Ａ和Ｂ是蓝牙无线通信的使用者，Ａ和Ｂ在同一个ＣＡ（电子证书机构）拿到自己的电子证书，其中包括自己的公钥和有效等。
它们也拥有ＣＡ的证书。
Ａ和Ｂ通信时：
第一步，Ａ将自己的证书送给Ｂ，Ｂ验证Ａ的证书。
第二步，确认Ａ的证书后，Ｂ将自己的证书送给Ａ。
第三步，Ａ确认Ｂ的证书后，用Ｂ的公钥加密。
一个用于数据加密的对称密钥，它的运算如下：
Ｃ＝（ｋｅｙ）ＰＢｍｏｄＮ
其中Ｎ＝ｐ．ｑ，ｐ和ｑ是两个大的素数，Ｎ是模，ＰＢ是公钥。
第四步，Ｂ收到Ｃ之后，做以下运算：
ｋｅｙ＝ＣＲＢｍｏｄＮ
ＲＢ是Ｂ的密钥。
第五步，在第四步结束后，双方都拥有ｋｅｙ，双方的通信就可以用ｋｅｙ来加密Ｃ＝（Ｍ）ｋｅｙ，由于只有Ａ和Ｂ知道ｋｅｙ，所以加密后的Ｃ只有Ａ和Ｂ可以解密。
该协议栈和安全管理系统可以建立在任何基于ＲＦＣＯＭＭ的蓝牙设备上。
它的目标是建立一套安全的蓝牙通信机制。
在鉴别和认证的过程中，以前的一些蓝牙设备可以实现设备的鉴别。
该例子可以实现对用户身份的鉴别，它还有以下其他优点。
1.不仅可以对设备认证，还可以对用户的身份认证，防止冒用和伪造设备。
在Ｌ２ＣＡＰ或ＲＦＣＯＭＭ中调用函数ＭＤＨ（ｅｌｅｍｅｎｔ，Ｒｏｏｔ，ｍｏｄｎｌｎ，ＶＡＲ１，ＶＡＲ２，ＶＡＲ）建立两方共享的密钥和实现对用户的认证。
2.加密可靠和安全，加密方法灵活。
加密功能可以由ＥＸＢＸ、ＲＦＣＯＭＭ或Ｌ２ＣＡＰ调用安全管理系统的ＥＡ（Ｄａｔｅ、Ｋｅｙ、ＶＡＲ１）实现，由ＣＡ（Ｄａｔｅ、Ｋｅｙ、ＶＡＲ１）实现解密。
3.数据的完整性。
系统可以检测干扰和传输信号的改变。
在任何一级协议中，通过调用ＭＡＣ（Ｄａｔａ、Ｋｅｙ、ＶＡＲ１、ＶＡＲ２）可以发现无线信号所受到的干扰和改变。
6.蓝牙技术的应用
居家:
通过使用 Bluetooth 技术产品，人们可以免除居家办公电缆缠绕的苦恼。
鼠标、键盘、打印机、膝上型计算机、耳机和场声器等均可以在 PC 环境中无线使用，这不但增加了办公区域的美感，还为室内装饰提供了更多创意和自由（设想，将打印机放在壁橱里）。
此外，通过在移动设备和家用 PC 之间同步联系人和日历信息，用户可以随时随地存取最新的信息。
工作：
Bluetooth 技术的用途不仅限于解决办公室环境的杂乱情况。
启用Bluetooth的设备能够创建自己的即时网络，让用户能够共享演示稿或其它文件，不受兼容性或电子邮件访问的限制。
Bluetooth设备能方便地召开小组会议，通过无线网络与其它办公室进行对话，并将干擦白板上的构思传送到计算机。
娱乐：
玩游戏、听音乐、结交新朋、与朋友共享照片–越来越多的消费者希望能够方便即时地享受各种娱乐活动，而又不想再忍受电线的束缚。
Bluetooth无线技术是唯一一种能够真正实现无线娱乐的技术。
内置了Bluetooth技术的游戏设备，让您能够在任何地方与朋友展开游戏竞技–在地下通道、在飞机场或在起居室中。
由于不需任何电线，玩家能够轻松地发现对方–甚至可以匿名查找–然后开始令人愉快的游戏。
7.蓝牙技术的展望
蓝牙技术正在引起越来越广泛的重视，在工业和家庭方面的应用也越来越多。
它的安全性随着它的应用将被使用者重视，设计和规划蓝牙的安全已成为刻不容缓的任务。
蓝牙技术已经成为全球电信和电子技术发展的焦点。
新开发的应用蓝牙技术的产品也层出不穷。
蓝牙技术正在被广泛地应用于计算机网络、手机、ＰＤＡ和其他领域。
蓝牙芯片是蓝牙设备的基础。
西方国家已生产了基于不同技术（ＣＭＯＳ、绝缘体硅片等）的蓝牙芯片。
蓝牙芯片的价格已在下降，在近两年内将达到人们普遍可以接受的水平。
一个基于蓝牙技术的移动网络终端可以由蓝牙芯片及所嵌入的硬件设备、蓝牙的核心协议栈、蓝牙的支持协议栈和应用层协议４部分组成。
西方国家的公司有的在芯片上开发ＬＭＰ（链接管理协议），有的将ＬＭＰ固化在芯片之中。
国际标准规定了３种蓝牙设备的安全模式：
模式１，现有的大多数基于蓝牙的设备，不采用信息安全管理和不执行安全保护及处理；模式２，蓝牙设备采用信息安全管理并执行安全保护和处理，这种安全机制建立在Ｌ２ＣＡＰ中和它之上的协议中；模式３，蓝牙设备采用信息安全管理和执行安全保护及处理，这种安全机制建立在芯片中和ＬＭＰ（链接管理协议）。
鉴于蓝牙芯片的现状，采用模式３将需要对现有的蓝牙芯片进行重新设计并且要增加和增强芯片的功能，不利于降低芯片价格。
西方蓝牙技术的生产商都在考虑采用模式２。
模式２的安全机制允许在不同的协议上增强安全性。
Ｌ２ＣＡＰ可以增强蓝牙安全性，ＲＦＣＯＭＭ可以增强蓝牙设备拨号上网的安全性，ＯＢＥＸ可以增强传输和同步的安全性。
蓝牙的安全机制支持鉴别和加密。
鉴别和认证可以是双向的，密钥的建立是通过双向的链接来实现的。
鉴别和加密可以在物理链接中实现（例如，基带级），也可以通过上层的协议来实现。
结束语：
蓝牙技术是一种低功耗的无线通信技术，其目标是取代现有的PC机、打印机、传真机、移动电话等设备上的连接电缆，将人们从杂乱的电缆连线中解放出来，业界对此技术寄予了很高的期望。
自从爱立信公司最先提出这一技术后，其发展十分迅速，可以说蓝牙技术现在正成为通信业的一个热点。
蓝牙技术能够迅速发展，其优势在于它是全球统一的、开放性的技术标准，技术先进性与成本低廉统一折衷考虑。
它可以将各种小型个人信息终端无线互连，形成个人化的移动信息网络，这是符合人与人之间近距离通信要求的，因而具有广阔的发展前景。
蓝牙技术正在引起越来越广泛的重视，在工业和家庭方面的应用也越来越多。
它的安全性随着它的应用将被使用者重视，设计和规划蓝牙的安全已成为刻不容缓的任务。
本文的目的旨在抛砖引玉，引发业内专家的讨论和参考，将蓝牙技术开发得更完善和更实用。
蓝牙通信技术一定会飞速发展,但仍然有一些应用的细节问题需要解决,如相邻设备之间为防止信息误传和被截取,必须要用户提前设置对应频段等,严重影响蓝牙技术产品面市的速度。
但相信随着一个不断完善的发展过程,蓝牙技术会为我们的未来家居和办公带来不仅仅是方便一点的革命。
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