图 1： 蓝芽功能模块 蓝芽射频部分 射频部分实现蓝芽设备的宽带无线接口。典型情况下，射频单元以多芯片模块实现，包括一个天线开关、阻抗匹配器、放大器、基于数字锁相环路（PLL）的时钟恢复、调制和解调电路。蓝芽射频部分工作于2.4GHz ISM频带并采用FHSS调制。 蓝芽链路控制器 蓝芽基带链路控制器功能包括底层的链路层功能。包括： * 连续可变斜率增量调制（CVSD）调制语音编码 * 头错误校验（HEC）生成及校验 * 前向纠错（FEC）生成及校验 * 循环冗余校验码（CRC）生成及校验 * 数据扰码 * 有效负荷数据加密和解密 * 跳频序列 蓝芽链路管理器 链路管理模块实现链路管理器协议（LMP），负责处理底层控制方面的功能，包括： * 设备间链路的建立 * 生成、交换并检查加密密钥 * 协调基带分组大小 * 功率模式及射频负载因数 * 一个微微网中设备的连接状态 由于这些功能本身所具有的复杂性，因此需要采用软件来实现。软件通常运行在一个嵌入式RISC处理器上。这一软件方法导致其它功能也可采用处理器实现，同时还包括实现到主机系统接口所需要的固件。 蓝芽主机控制器接口(HCI)桥 HCI提供了一个调用和访问基带控制器和链路控制器，以及硬件状态和控制寄存器的命令接口。这一接口提供了一个访问蓝芽基带功能的统一方法。HCI由两部分组成，实现命令接口的软件和用来连接蓝芽子系统和主机的物理硬件。HCI软件的目的是使构成接口的硬件对系统高层软件来说，看起来是透明的。蓝芽标准目前在HCI传输层支持UART（通用异步收发）、RS232、USB和PC 卡协议。HCI定义了数据在蓝芽网络接口和蓝芽主机间的传输方式。HCI传输方式则定义了每种数据类型如何封装并复用到接口硬件。 以太网（Ethernet）技术背景知识 以太网技术是应用最广泛的局域网（LAN）技术。最初的以太网，也是最普遍的版本支持10Mb/s的数据传输速率。称为“快速以太网”和“千兆以太网”的新版本则分别支持100Mb/s和1Gb/s（1000Mb/s）的数据速率，这两种版本在企业网络主干中得到广泛的应用。目前正在开发的未来以太网技术数据速率将超过10Gb/s和40Gb/s。以太网局域网采用同轴电缆、特定级别的双绞线，或光纤。以太网设备采用一种称为带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）协议来竞争对共享网络线路的访问权。 以太网规范定义了OSI模型中的物理层（PHY）和媒介访问控制（MAC）层。物理层定义了通过物理媒介建立连接所需要的电气、机械和过程方面的要求，从而使数位流可通过通信媒介或信道进行传输，在以太网的情况下，媒介可是同轴电缆、双绞线或光纤电缆。MAC层则在通过信道物理连接的设备间提供错误控制和同步。同时MAC层还负责决定优先权并管理对信道的访问，CSMA/CD算法即在此层实现。虽然有一些集成的PHY和MAC产品，但他们可以认为是通过媒介独立接口（MII）进行通信的两个独立器件。图2,示意出了以太网的PHY和MAC层。 
图2： 以太网（Ethernet） PHY-MAC 对蓝芽局域网接入点（LAP）的需要 蓝芽移动设备需要访问多种网络服务，如因特网浏览、数据（日历和联系簿）同步、文件传输和打印等。这些服务通常都位于目前的有线基础设施上，如企业或专用以太局域网。在机场休息室、旅馆接待室、企业内部等许多不同的地点也需要网络接入。几乎所有这些情况下，都需要多个接入点以供多个用户同时使用，因为蓝芽射频只能在10米覆盖范围支持高达721kb/s的数据速率。例如，在一个10米 X 50米的大型机场休息室内，为获得充分的覆盖和带宽，至少需要四个网络接入点。所谓接入点其实就是在无线网络和有线网络（基础设施）间传输数据的设备。接入点是连接无线（或蓝芽）客户到有线（如以太网）局域网的收发器。在很多情况下，接入点也可以连接到数字（DSL或电缆）调制解调器，使得在家庭网络上可以使用高速（宽带）因特网接入。 目前市面上有多种网络接入点解决方案。然而多数是集成在PC机、工作站或服务器中的。在PC中实现局域网接入点使成本增加很多，因此不太实际。从设计的角度，选择PC很不错，因为PC机具有很强的能力，可以运行接入以太局域网所需要的所有协议。PC中的处理器甚至还可以执行一些蓝芽命令。这可进一步降低对蓝芽基带处理器性能的要求，从而也降低了其成本。但无论如何，这一个解决方案成本仍然太高。采用PC机做为以太局域网接入点成本昂贵，因此需要一个成本有竞争力且尺寸小巧的解决方案。 蓝芽-以太网LAP设计 设计蓝芽LAP所面临的主要挑战是桥接两种不同的技术-蓝芽技术和以太网技术。LAP的功能是在这两种协议间传送数据。在以太网一侧，需要实现TCP/IP（传输控制协议/因特网协议）协议，以及物理层（PHY）和媒介访问控制（MAC）层。在蓝芽一侧，则需要在LAP系统内实现一个完整的蓝芽系统（射频、基带链路控制器和HCI桥）。目前有几种 ASSP都集成了所有蓝芽功能，也有集成了全部以太网功能的不同ASSP。然而，ASSP很少可以实现不同技术间的桥接，如蓝芽和以太网技术。因此没有可以方便地解决这一协议转换问题的单独芯片。由于流行网络技术的数量很多，因此ASIC厂商在同一芯片内提供蓝芽、以太网以及接口功能，从成本上是不合算的。然而，可编程逻辑解决方案对协议转换这类应用是非常理想的，因为利用可编程逻辑构成的灵活和低成本的解决方案使此类设计成为可能。 包括IP（智力产权核心）和FPGA（现场可编程门阵列）在内的可编程逻辑是系统的核心。它负责接收以太网帧，并将之转换成蓝芽基带处理器可以处理的格式，同时还实现相反的过程。FPGA还实现了进行以太网通信所需要的以太网MAC层和传输层。而且，由于以太网以比蓝芽快得多的位速率进行工作，因此FPGA还提供以太网数据和蓝芽网络数据间的缓冲功能。FPGA还为高层网络访问提供UDP（用户数据报协议）功能。图3 示出了FPGA的框图。 
图 3： FPGA框图 与蓝芽基带控制器进行通信的成本效率最高的方案是采用专用接口。虽然主机系统具有UART和/或USB接口，但USB或UART端口可能不够用。这可能发生在当主机端口数有限，或当特定的应用需要大量端口的情况。在上面任意一种情况下，都可以用可编程逻辑来实现所需要的接口硬件。在深度嵌入式应用中，这通常是USB或UART核心和系统中采用的嵌入式处理器局部总线间的一个接口。 虽然可编程逻辑可用来实现任一种传输接口，但在本例中，我们用FPGA实现的是DMA（直接存储器访问）接口，它可以提供蓝芽基带控制器和以太网MAC间的快速数据传送。DMA控制器控制总线定时从蓝芽基带接口读取数据，然后将之写入存储器（因此每次传送需要两个总线周期）。一个DMA通道包括总线信号（请求通道使用并接收允许该通道使用总线的应答信号）以及提供传送源和目标地址的计数器。DMA提供了直接从蓝芽基带ASSP的数据和地址总线交换。此外，FPGA中富裕的逻辑资源可以用来实现其它的连接逻辑或特定的功能。低成本蓝芽-以太网LAP的框图如图4 所示。 
图 4： 蓝芽-以太网LAP框图 图四所示的LAP提供了对蓝芽网络的无线访问，对以太网局域网的访问，以及两种不同网络间 的协议转换。框图中画出了蓝芽射频（带有天线）部分和基带处理器，它们可以是来自同一供应商或不同制造商的芯片级或干脆是一个集成的ASSP。同样，图中还给出了10/100 以太网物理层器件，通过MII实现与FPGA以太网MAC层的接口。板上还有用作数据缓冲的闪速存储器、用来配置FPGA的PROM（可编程只读存储器）以及其它器件，如磁芯和连接器。 其中蓝芽基带处理器可以采用全功能的蓝芽子系统（如图5），也可以采用需要外部处理器的低级蓝芽子系统。采用全功能基带处理器的好处是不需要采用额外的外部处理器，因此节约了成本。这一结构需要直接访问基带处理器的地址和数据总线。由于市场上没有任何现成的解决方案可以提供这一接口，因此FPGA非常适合这一设计。 
图 5： 蓝芽主机和子系统 一些市场研究报告称，到2004 年，蓝芽市场规模将超过50亿美元。由于这一诱人前景，以及产品特色是目前市场上赢得客户的重要因素这一事实，未来的机顶盒、LAN、打印机和PC机提供对蓝芽支持能力就变得非常关键。众所周知，最先上市的制造商会占有较大的市场份额并获得较高的营收。此外，成本对蓝芽技术的推广也是一个重要因素。因此上市时间和低成本解决方案是压倒一切的要求。由于设计ASIC芯片需要高昂的NRE（不可回收工程）成本以及12-18个月的时间，因此采用FPGA实现以太网-蓝芽协议转换就成为理想的解决方案。随着FPGA的成本不断大幅下降和功能不断增强，FPGA正逐渐应用到以前认为不可能的新兴、低成本市场。客户还可以在FPGA内增加连接（或其它）逻辑以进一步降低系统成本。产品上市时间从来没有象在今天的市场上显得这样重要。 合作关系加速解决方案的实现 要实现象蓝芽-以太网LAP这样的涉及最新技术的设计，需要克服面临的诸多挑战。首先，蓝芽是一个新的标准，可供借鉴的蓝芽解决方案很有限。第二，设计需要桥接的是两种不同的技术标准，以太网和蓝芽。第三，为了保证满足蓝芽质量团体（BQB）的要求，还需要射频方面的经验。因此要开发一个满足所有要求的解决方案，需要来自不同领域的经验。所以需要与合作伙伴合作来开发相应的解决方案。开发如上所述的蓝芽-以太网LAP需要以下专业知识和经验： * 蓝芽射频和应用处理器专业知识 * 实现蓝芽天线的专业知识 * 以太网物理层的专业知识 * 完成FPGA解决方案的IP （智力产权）专业知识 每个合作伙伴具有特定领域的专业知识，那么设计低成本蓝芽-以太网局域网接入点的任务就变得简单了。实际上，对于开发这样的低成本协议转换系统来说，这种合作方式非常关键。创建蓝芽-以太网LAP的参考设计（系统解决方案）也可帮助客户设计产品和缩短产品上市时间。 大批量市场中的可编程逻辑 就象LAP设计中所看到的，可编程逻辑为蓝芽技术集成到大批量生产的嵌入式系统中提供了一个优秀的平台。FPGA技术带来的主要优点包括： 上市时间： 可编程逻辑提供的几个优势都有助于客户缩短产品上市时间。首先，范围广泛的IP支持以及不断增加的第三方IP合作伙伴使得客户可以快速获得设计需要的关键IP构建模块。其次，采用可编程逻辑解决方案使设计人员可以比其它方案更快地完成一个功能硬件平台。第三，可编程逻辑器件是标准部件，可以小批量或大批量快速推出产品，从而赶在竞争对手前占领有利的战略地位。 系统级的成本节约：过去，可编程逻辑解决方案被认为是昂贵的。然而，随着时间的推移和莫尔定律的作用，可编程逻辑已变得越来越有优势。现在，批量时不到10美元就可以买到10万系统门，而且是现货，立即可用。此外，由于此类器件通常还可以实现设计中的其它功能，因此能够实现系统级的成本节约。 产品在市时间： 产品开发本质上不是严格的科学。错误和不兼容问题等不可避免，这正是工程师必须处理的问题。在这方面可编程逻辑器件可提供巨大的优势，因为可编程解决方案几乎是无限可重新编程的。因此，已知问题的补丁一旦在现有硬件版本上得到验证，就可立即应用到生产中，同时还可应用到已安装的系统中。这使得现有设计的寿命得以延长，并极大地降低了库存器件过时以及成本高昂的现场更换计划所带来的风险。 快速的设计派生能力： 一个系统设计是企业的财产。在目前高度竞争和希望压缩产品开发周期的市场条件下，系统设计必须足够灵活。当今的标准演化迅速，客户需要新功能，而经验也表明可以利用已有的系统设计开发新的商业机会。采用可编程逻辑的考虑周到的设计本身更具有扩展性，因此是快速和有效地派生新产品的理想平台。因此，如果利用的好的话，可编程逻辑可使未来的产品开发具有战略性的竞争优势。 上述优点仅强调了电子系统中对可编程逻辑的需要。从蓝芽-以太网LAP解决方案中可以直接看到，可编程逻辑可使客户产品更快上市、获得更多的营收和更大的市场份额。对客户来说，使参考设计成为可编程的，从而满足最终客户的不同需要极为关键。因此，可编程逻辑不仅提供了在不同技术间进行协议转换所需要的关键功能，而且还提供了可根据客户需求进行重新配置的一个平台。 要了解新兴技术（如蓝芽）的更多信息，请访问Xilinx eSP（新兴标准和协议）万维网入口，网址www.xilinx.com/esp/。该网站提供了相关的技术指南、市场综述、系统框图、全面的词汇、参考设计以及战略伙伴，从而可帮助加速基于蓝芽技术的产品开发过程。 结论 蓝芽是无线领域继蜂窝技术之后的又一激动人心的新技术。它将会革命性地改变我们进行通信的方式。由于蓝芽着眼于个人区域（短距离）网络，其中因特网接入需要到其它局域网技术的接口，如以太网、HomePNA、ATM等。因此需要蓝芽-以太网LAN接入点，以实现桥接这两种技术的嵌入功能。 然而，开发此类产品面临几个挑战。ASSP和ASIC在支持所有多种LAN技术方面并不是一个好方案。虽然为了提供蓝芽基带和以太网物理层功能需要蓝芽ASSP，但却没有可直接与以太网PHY/MAC接口的蓝芽ASSP。本文描述了一个蓝芽-以太网局域网接入点系统解决方案，这一方案可以满足涉及到的所有标准和协议的要求。文中描述了协议转换和不同网络技术的桥接等功能，它们非常适合用FPGA实现。由于基于低成本的可编程逻辑，还可以进一步为蓝芽-以太网LAP增加新的功能，从而使产品更加具有特色。采用可编程逻辑为客户提供了上市时间优势，因此可获得更大的营收和更大的市场份额。 Mamoon Hamid是Xilinx公司的战略应用高级工程师。他主要负责将新兴的垂直市场传播给更多的客户，并对Xilinx蓝芽市场营销做出极大的贡献。他发表了一些有关FPGA在无线和DSP应用中作用的白皮书和应用指南。他在FPGA设计和优化方面有丰富的经验。Mamoon获得Purdue大学的电子工程学士学位和斯坦福大学的管理科学和工程硕士学位。 图1： 蓝芽功能模块 Radio 射频 Mixed Signal 混合信号 Link Controller 链路控制器 Baseband Processing 基带处理 Link Manager 链路管理器 Link Mgmt. And Host I/F 链路管理和主机接口 HCI interface HCI接口 Bluetooth Subsystem 蓝芽子系统 图2： 以太网（Ethernet） PHY-MAC Ethernet MAC 以太网MAC Tx buffer 发送缓冲 Tx Data Flow 发送数据流 Transmit MAC Handler 发送MAC处理 Management 管理 Register 寄存器 Counter 计数器 Media Independent Interface 媒介独立接口（MII） PHY 物理层 Rx Buffer 接收缓冲 Rx Data Flow 接收数据流 Receive MAC Handler 接收MAC处理 Address Match 地址匹配 Serial Interface 串行接口 图 3： FPGA框图 Glue Logic 连接逻辑 User Datagram Protocol(UDP) 用户数据报协议 图 4： 蓝芽-以太网LAP框图 RJ45 Connector RJ45连接器 Magnetices 磁芯 Bluetooth Basedband Processor 蓝芽基带处理器 FLASH闪存 Bluetooth Radio 蓝芽射频 图 5： 蓝芽主机和子系统 Host Application 主机应用 Audio 音频 Fully Featured Subsystem 全功能子系统 Low Level Subsystem 低级子系统 *博客内容为网友个人发布，仅代表博主个人观点，如有侵权请联系工作人员删除。
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