Bluetooth технические требования, практическая реализация

         

Фирмы Ericsson


Краткие характеристики спецификации Bluetooth vl.l:

• Технология Bluetooth применяется для замены кабелей, организации беспро­
водных персональных сетей (WPAN), построения ретрансляторов для голосовых и
информационных каналов;

•     Bluetooth устройства работают в нелицензируемом ISM (2.4 — 2.5 ГГц) диапа­
зоне частот (рабочие каналы = 2.402 — 2.480 ГГц);

•     Количество каналов = 79;

•     Ширина канала = 1 МГц;

•     Рабочая частота в каждом из 79 каналов задается по методу FHSS TDD;

•     Длительность временного слота = 625 мксек;

•     Битовая скорость в канале = 1 Мбит/сек;

•     Два режима работы в пикосети    мастер-устройство и подчиненное устройство;


•     Возможность организации рассредоточенной сети scatternet (работа устройст­
ва в нескольких пикосетях);

•     Наличие асинхронных (ACL)- для передачи данных, и синхронных (SCO)-
для передачи голоса, каналов;

•     1, 3, 5-ти слотовые пакеты;

•     Поддержка энергосберегающих режимов работы: SNIFF, PARK, HOLD;

•     Разделение устройств по излучаемой мощности на три класса:

•     класс 1 - от 1 мВт (0 дБм) до 100 мВт (20 дБм),

•     класс 2 - от 0,25 мВт (-6 дБм) до 2,5 мВт (4 дБм),

•     класс 3 — до 1 мВт (0 дБм).

3.4.1. Модуль Bluetooth ROK 101 007

Рис. 3.4. Внешний вид модуля Bluetooth ROK 101 007


Рис. 3.5. Блок схема модуля Bluetooth ROK 101 007


Модуль Bluetooth ROK 101 007 (рис. 3.4) предназначен для встраивания беспро­водного интерфейса связи Bluetooth в различные электронные устройства [22]. Модуль состоит из 3-х основных составляющих - микросхемы baseband-контрол­лера, микросхемы Flash памяти и микросхемы приемопередатчика (аналогичной микросхеме в радиомодуле Ericsson РВА 313 01/3).
Блок схема модуля представле­на на рис.3.5. ROK 101 007 работает в безлицензионном ISM диапазоне частот 2.4-2.5 ГГц и поддерживает передачу данных и голоса. Соединение модуля с устройст­вом, в которое он встраивается, осуществляется посредством USB v2.0 или UART/PCM интерфейсов. При подключении модуля к компьютеру через USB ин­терфейс, модуль подключается как USB ведомое устройство и, поэтому, не требует ресурсов компьютера. ROK 101 007 сертифицирован в соответствии со специфика-

цией Bluetooth vl.l с выходной мощностью передатчика равной 0 дБм (класс 2). Модуль поддерживает все приложения спецификации Bluetooth. Ключевые особенности модуля:

•     Bluetooth vl.l сертифицирован;

•     Организация связей с 7-ю подчиненными устройствами в пикосети по типу
точка — многоточка;

•     Выходная мощность передатчика 0 дБм (класс 2);

•     Соответствие нормам FCC и ETSI;

•     Наличие дополнительных интерфейсов для разных приложений;

•     UART только для данных (HCI логический интерфейс);

•     РСМ только для голоса;

•     USB для голоса и данных (HCI логический интерфейс);

•     I2C интерфейс для управления внешними I2C устройствами;

•     Внутренний кварцевый резонатор;

•     HCI логический интерфейс (USB и UART интерфейсы).
Области применения:

•     Компьютеры и периферия;

•     Портативные устройства и аксессуары;

•     Беспроводные точки доступа.
Основные характеристики модуля:

•     Напряжение питания = 3.3 В;

•     Частота кварцевого генератора =13 МГц;
Антенный выход:

•     Выходное сопротивление - 50 Ом;
Передатчик:

•     Выходная мощность = -6 -н+4 дБм;

•     Внеполосное излучение соответствует спецификации Bluetooth vl.l;


Приемник (BER < 0.1%):

•     Чувствительность = -77 дБм;

•     Максимальный уровень входного сигнала = 13 дБм;

•   Внеполосное излучение:
30 МГц - 1 ГГц = -74 дБм;

1 ГГц - 12.75 ГГц = -60 дБм;

•   Избирательность в соответствии со спецификацией Bluetooth vl.l:
30-1910 МГц = +13 дБм;

1910-2000 МГц =+9 дБм;

2000—2399 МГц = -27 дБм (минимальное значение); 2484-3000 МГц = -14 дБм; 3000-12750 МГц = -5 дБм; Baseband-контроллер:

•     Процессор - ARM7 TDMI™;

•     Аппаратное Ericsson baseband ядро (ЕВС — Ericsson Bluetooth Core);

Программное обеспечение модуля:

•     LC;

•     LM;

•     LMP;

•     HCI;

•     Поддержка 3-х и 5-ти слотовых пакетов;

•     Поддержка РСМ u-закона, РСМ А-закона и CVSD голосового кодирования;
Внешние интерфейсы модуля:

•     UART (стандарт 16С550);

•     USB v2.0 (полноскоростной режим — 12 Мбит/сек; поддержка Wake_Up и
Detach сигналов);

•     РСМ (поддержка линейного закона, ц-закона, А-закона);

•     12С (управление интерфейсом через выделенные HCI команды).

3.4.2. Радио модуль РВА 313 02



Рис. 3.6. Внешний вид радио модуля РВА 313 01/3

СВЧ приемопередатчик РВА 313 02 (рис.3.6) предназначен для реализации фи­зического уровня Bluetooth интерфейса в ISM диапазоне 2.4-2.5 ГГц. Применяет­ся технология скачкообразной перестройки частоты (1600 скачков/сек) по 79 рабо­чим каналам (от 2.402 до 2.480 ГГц) с битовой скоростью 1 Мбит/сек, что соответ­ствует максимально допустимой ширине канала в ISM диапазоне. Используется частотная манипуляция с фильтрацией модулирующего сигнала фильтром с гаус-совской характеристикой - GFSK. Модуль РВА 313 02 построен на основе специа­лизированной микросхемы (ASIC) приемопередатчика, выполненной по техноло­гии BiCMOS.


Антенный фильтр, приемный и передающий симметрирующие трансформаторы, переключатель и усилитель мощности интегрированы в радио модуль. Крепление модуля на поверхность платы осуществляется шариковыми вы­водами. Архитектура радио модуля представлена на рис. 3.7.

Ключевые особенности модуля:

•     Bluetooth v 1.1 сертифицирован;

•     Выходная мощность передатчика 100 мВт;

•     Для построения функционально полного устройства дополнительно требует:

*   Антенну;

*   Резонатор 10—20 МГц или источник опорного синхросигнала 10—20 МГц;



Рис. 3.7. Архитектура радио модуля РВА 313 01/3

•  Baseband-контроллер;

•     Миниатюрный LGA-корпус 11.8 х 11.8 х 1.6 мм;

•     Не требует внешнего экранирования;
Области применения:

•     Точки доступа;

•     Компьютеры;

•     Портативные устройства и аксессуары;

•     Модемы;

Архитектурные особенности модуля:

•  Техника модуляции при разомкнутой петле синтезатора;

•  Малопотребляющий генератор 3.2 кГц для энергосберегающих режимов рабо­
ты Bluetooth;

•     Программная подстройка кварцевого генератора и генератора 3.2 кГц;
Основные характеристики модуля:

•     Напряжение питания = 2.7 В;

•  Потребляемый ток:
Режим передачи = 50 мА;
Режим приема = 60 мА;

Антенный выход:

•     Выходное сопротивление = 50 Ом;
Передатчик:

•     Девиация частоты = 140-175 кГц;

•  Дрейф несущей частоты при передаче пакетов: -
1 слот: ±25 кГц;

3 слота: ±40 кГц;

132

РАЗДЕЛ 3

ПРАКТИЧЕСКАЯ НЬАЛИЗАЦИЯ

5 слотов: ±40 кГц;

•     Выходная мощность =+14 ++20 дБм;

•     Внеполосное излучение соответствует спецификации Bluetooth vl.l;
Приемник (BER< 0.1%):

•     Чувствительность = -86 дБм;



•     Максимальный уровень входного сигнала = +14 дБм;

•     Внеполосное излучение:

2300 МГц — 3000 ГГц = -27 дБм (максимальное значение);

•  Избирательность ( в соответствии со спецификацией Bluetooth vl.l):
30-880 МГц =+11 дБм

880-915 МГц =+11 дБм 915-1710 МГц = +11 дБм 1710-1785 МГц =+11 дБм 1785-1850 МГц =+11 дБм 1850-1980 МГц =+11 дБм 1980-2000 МГц =+11 дБм 2000-2100 МГц = 0 дБм 2100-2200 МГц = -10 дБм 2200-2300 МГц = -13 -27 дБм 2300-3000 МГц = -15 -27 дБм 3000-12750 МГц = -5 дБм Управляющий интерфейс:

•   Последовательный (на базе JTAG), настройка модуля производится через ре­
гистры.

3.4.3. Bluetooth Baseband контроллер РВМ 990 90/2



Рис. 3.8. Внешний вид Bluetooth Baseband контроллера РВМ 990 90/2

Baseband контроллер РВМ 990 90/2 (рис. 3.8) основан на модульной архитектуре Ericsson Bluetooth Core (EBC) [22]. В качестве процессорного ядра применяется встроенный ARM7 TDMI RISC микропроцессор, взаимодействующий с ЕВС и пе­риферийными интерфейсами, подсоединенными к внутренней системной шине АМВА™. Такая схема позволяет использовать контроллер как во встроенных при­ложениях, так и в системах, где приложение выполняется центральным процессо-

ром системы. Разнообразные стандартные внешние интерфейсы: USB, I2C, GPIO, PCM, UART, позволяют успешно применять РВМ 990 90/2 в стационарных и мо­бильных устройствах. Блок схема Baseband контроллера РВМ 990 90/2 представ­лена на рис. 3.9.

В основе контроллера лежит принцип совмещения аппаратных и программных средств, что позволяет создавать малогабаритные гибкие модульные системы для реализации приложений Bluetooth.

ARM7TDMI RISC процессорное ядро вместе с относящимся к нему блоками ОЗУ, ПЗУ, системным контроллером, модулем интерфейса с внешней шиной и внешней Flash памятью формируют процессорную часть, которая управляет режи­мами работы контроллера и взаимодействием протоколов внутри Bluetooth стека. Режим работы РВМ 990 90/2 задается программированием управляющих регист­ров.


Имеется возможность выбора между необходимой производительностью, по­требляемой мощностью и конфигурацией.




Рис. З.9. Блок схема Bluetooth Baseband контроллера РВМ 990 90/2


ЕВС (Bluetooth DSP-блок), является блоком аппаратной поддержки ARM7TDMI RISC процессора. Здесь выполняются прямые и обратные задачи формирования пакетов: помехоустойчивое кодирование, скремблирование, форми­рование проверочного CRC поля, криптошифрование данных. Реализованные в блоке алгоритмы соответствуют спецификации Bluetooth vl.l.

Основные характеристики блока:

•     Поддержка скорости передачи информации до 721 кбит/сек в ACL канале;

•     Поддержка до трех одновременных голосовых SCO каналов;

•     Аппаратная поддержка пакетов всех типов;

•     Поддержка одного последовательного синхронного РСМ канала;

•     Низкая потребляемая мощность;

•     Поддержка режимов HOLD, SNIFF, PARK;

•     Поддержка ключей криптозащиты размерностью до 128 разрядов;

•     Высококачественная фильтрация голосовых пакетов;

•     Различные способы кодирования голосового сигнала (CVSD, РСМ А-закон,
РСМ ц-закон);

•     Организация пикосети с 7-ю подчиненными устройствами;

•     Возможность переключения режимов «мастер» и «подчиненное устройство»;

•     BlueRF радиоинтерфейс;

Подсистема памяти

•     Размер встроенной памяти:
Статическое ОЗУ = 64 Кбайт;
ПЗУ = 4 Кбайт;

•     Возможность адресации от 2 до 16 Мбайт внешней Flash памяти.

Взаимодействие с центральной (host) системой

Гибкость схемы контроллера предусматривает возможность использования его в системах с центральным процессором. Управление контроллером в этом слу­чае осуществляется при помощи логического командного интерфейса HCI, по­средством предусмотренных для этих целей стандартных интерфейсов USB и UART.



Интерфейсы контроллера USB

Реализует версию стандарта USB 2.0, поддерживает передачу данных со скоро­стью 12 Мбит/сек и имеет встроенные схемы драйверов.

UART1, UART2

В контроллере имеются два 16С550 совместимых порта UART1 и UART2. UART1 имеет 128-байтовое FIFO и поддерживает работу модема в полной конфи­гурации со скоростью до 921 кбит/сек. UART2 имеет 16 байтовое FIFO, две управ­ляющие линии Тх и Rx, работает со скоростью до 230 кбит/сек и предназначен для управления схемой контроллера и начальной загрузки.

Интерфейс внешней шины

Интерфейс внешней шины позволяет подключать до 3-х банков индивидуально на­страиваемой Flash памяти, каждый размером до 1024 К.

GPIO/I2C

РВМ 990 90 может задавать 10 выводов как универсальные входы — выходы. Для этих целей используются 8 выводов старшего байта данных и 2 выделен­ных вывода. Последние по включению питания сконфигурированы на 12С ин­терфейс. Функции всех выводов задаются программно. Максимальная скорость передачи информации поддерживаемая этим интерфейсом составляет 100 кбит/сек.

РСМ

Входит в состав ЕВС блока. Обеспечивает передачу голоса. Может работать в качестве ведущего или ведомого РСМ устройства. К функциям РСМ относятся:

•     Синхронизация информационных потоков;

•     Переключение направления передачи для двунаправленных сигналов;

•     Преобразование из последовательного в параллельный коды;
Поддерживаемая скорость передачи информации от 200 кГц до 2 МГц в режиме

ведомого и 2 МГц в режиме ведущего. Переменная разрядность передаваемых ин­формационных символов 8 или 16 разрядов.

Отладочный интерфейс JTAG

Использование отладочного интерфейса JTAG позволяет применить Multi-ICETM и среду отладки ADS 1.1™ фирмы ARM, Ltd.

Дополнительные характеристики контроллера:

Внешняя частота синхронизации — задается из ряда 12.60, 12.80, 13.00, 14.40, 16.80, 19.20 и 19.44 МГц;

Напряжение питания:

внутренней части схемы = 2,8 В;



внешнего интерфейса = 3,3 В;




Рис. 3.10. Пример системы с использованием Bluetooth Baseband контроллера РВМ 990 90/2


Корпус — 96 выводной BGA, 8 х 8 х 0,85 мм;

ПКАМИЧЬ1ЖАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

Встроенное программное обеспечение

Встроенное программное обеспечение состоит из программ протоколов стека Bluetooth и драйверов ЕВС, USB, UART, GPIO и 12С. В зависимости от уровня ин­теграции, протоколы стека либо ограничиваются программами LM и HCI при ра­боте с центральной системой, либо включают протоколы стека в более полном объ­еме, необходимом для реализации встроенных приложений.



Рис. 3.11. Bluetooth-стек в системе с центральным процессором (уровни Baseband, LM, HCI)

Таблица 3.2. Общие характеристики

Без регулятора

С регулятором

Напряжение

VDD1

(1,8 ± 0,1) В

(3,3 ±0,1) В

питания

VDD2

(2,8-3,4) В

(3,3 ±0,1) В

VDD3

(1,7-3,4) В

(3,3 ±0,1) В

Ток потребления в спящем режиме

20 мкА (кроме WML-C19AHN, который не имеет этого режима)

Температурный диапазон

От -40'С до +85Т

Частотный диапазон

(2402-2480) МГц

Модуляция

GFSK, 1 Мбит/сек, ВТ-0,5

Максимальная скорость

Асинхронный режим: 723,2 кбит/сек/57,6 кбит/сек

передачи

Синхронный режим: 433,9 кбит/сек/433,9 кбит/сек

Выходная мощность

0 дБм (класс 2)

Перестройка по частоте

1600 скачков в сек, ширина канала 1МГц

Чувствительность

-82дБм

Генератор

16 МГц

Хост-интерфейс

Данные

UART (BCSP или Н4)

Голос

РСМ-интерфейс                                UART

Коэффициент усиления антенны

2.14 дБи





Рис. 3.12. Bluetooth-стек во встроенной системе

3.5. Bluetooth модули компании Mitsumi

Одним из мировых лидеров по выпуску модулей Bluetooth для широкого спектра приложений является компания Mitsumi (http://www.mitsumi.de). Все модули со­браны на чипсете BlueCore компании CSR (http://www.csr.com). Поставкой Bluetooth модулей WML-C19 и WML-C20 на российский рынок занимается хол­динг ПетроИнТрейд (http://www.petrointrade.ru).




Таблица 3.3. Характеристики передатчика

Минимальное значение

Типовое значение

Максимальное значение

Размерность

Выходная мощность

-6

0

+4

дБм

Точность установки частоты

-75

0

+75

кГц

Уровни побочных излучений в режиме передачи сигнала (30-1000) МГц: (1-12,75) ГГц: (1,8-1,9) ГГц: (5,15-5,3) ГГц:

-36 -30

-47 -47

дБм дБм

дБм дБм

Уровни побочных излучений в режиме отсутствия передачи (передатчик выключен) (30-1000) МГц: (1-12.75) ГГц: (1.8-1.9) ГГц: (5.15-5.3) ГГц:

-57

-47 -47 -47

дБм дБм дБм дБм

Потребление тока

57

70

мА



Серия WML-C19

WML-C19 N В N

Тип интерфейса: В = BCSP (UART)/H = Н4 (UART)

Регулятор напряжения 168 В: N = Нет/R = Есть

Встроенная антенна TDK HAN8030B2R4GT-000:N = Нет/А - Есть

Bluetooth HCI модули серии WML- C19 поддерживают второй класс выходной мощности и содержат встроенную 8Мбит флэш-память, приемопередатчик и base­band-контроллер. В таблицах 3.2, 3.3 и 3.4 представлена краткая спецификация на модуль серии WML-C19.

Таблица 3.4. Характеристики приемника

Минимальное значение

Типовое значение

Максимальное значение

Размерность

Чувствительность

-82

-72

дБм

Максимальный уровень входного сигнала

-20

0

дБм

Избирательность

30 МГц - 2000 МГц: 2000 МГц - 2399 МГц: 2498 МГц - 3000 МГц: 3000 МГц - 12.75 ГГц:

-10 -27 -27 -10

дБм

дБм дБм дБм

Внеполосное излучение 30 МГц - 1 ГГц: 1 ГГц-12.75 ГГц:

-57 -47

дБм дБм

Интермодуляционная характеристика

-39

дБм

Потребление тока

54

70

мА

Серия WML-C20

WML-C20 N В

Тип интерфейса: В = BCSP (UART)/H = Н4 (UART)/U = USB Встроенная антенна TDK HAN8030B2R4GT-000: N = Нет/А = Есть

Bluetooth HCI модули серии WML-C20 поддерживают первый класс выходной мощности и содержат встроенную 8Мбит флэш-память, приемопередатчик и base­band-контроллер. В таблицах 3.5, 3.6 и 3.7 представлена краткая спецификация на модуль серии WML-C20.



Таблица 3.5. Общие характеристики

Напряжение питания

(3,3 + 0,1) В

Ток потребления в спящем режиме

100 мкА (кроме WML-C20AH, который не имеет этого режима)

Температурный диапазон

От -40°С до +70°С

Частотный диапазон

(2402-2480) МГц

Модуляция

GFSK, 1 Мбит/сек, ВТ=0.5

Максимальная скорост

ь

Асинхронный режим: 723,2 кбит/сек/57,6 кбит/сек

передачи

Синхронный режим: 433,9 кбит/сек/433,9 кбит/сек

Выходная мощность

14 дБм (класс 1)

Перестройка но частоте

1600 скачков в сек, ширина канала 1МГц

Чувствительность

-80дБм

Генератор

16 МГц

Хост-интерфейс

Данные

UART (WML-C20AB, WML-C20AH)USB (WML-C20AU)

Голос

РСМ-интерфейс UART/USB

Коэффициент усиления антенны

2.14 дБп


Таблица 3.6. Характеристики передатчика

——                       -

Минимальное значение

Типовое значение

Максимальное значение

Размерность

Выходная мощность

11

14

17

дБм

Точность установки частоты

-75

0

+75

кГц

Уровни побочных излучений в режиме передачи сигнала (30-1000) МГц: (1-12,75) ГГц: (1,8-1,9) ГГц: (5,15-5,3) ГГц:

-36 -30 -47

-47

дБм дБм дБм дБм

Уровни побочных излучений в режиме отсутствия передачи (передатчик выключен) (30-1000) МГц: (1-12.75) ГГц: (1.8-1.9) ГГц: (5.15-5.3) ГГц:

-57 -47 -47 -47

дБм дБм

дБм дБм

Потребление тока

110

150

мА

Таблица 3.7. Характеристики приемника

Минимальное значение

Типовое значение

Максимальное значение

Размерность

Ч увствительность

-80

-70

дБм

Максимальный уровень входного сигнала

-20

0

дБм

Избирательность 30 МГц - 2000 МГц: 2000 МГц - 2399 МГц: 2498 МГц - 3000 МГц: 3000 МГц- 12.75 ГГц:

-10 -27 -27 -10

дБм дБм

дБм дБм

Внеполосное излучение 30 МГц - 1 ГГц: 1 ГГц - 12.75 ГГц:

-57 -47

дБм дБм

Интермодуляционная характеристика

-39

дБм

Потребление тока

55

70

мА

3.6.

Содержание раздела