蓝牙通信中数据接收部分的分析与设计
摘 要
蓝牙是一种短距离无线通信技术。它能使移动设备与因特网之间的信息传输在变得更为简单得同时也变得迅速高效起来。蓝牙技术的最终目标是使不同的移动设备之间能成功地进行短距离内的无线资源的共享。本论文主要介绍了蓝牙的背景、研究的目的与意义，蓝牙通信技术的基础，包括蓝牙技术的特点和应用，以及蓝牙技术的原理，包括蓝牙系统组成、蓝牙组网形式、蓝牙基带、数据传输类型、跳频、编译地址、工作状态、安全性等内容。并且对其数据传送中的接收部分进行了整体设计。设计的主要内容有接收端的组成、跳频解调模块、信道译码、纠错、计算误码率等，包含的主要原理有MFSK的原理、纠错机制、计算误码率的公示等。本次设计主要是基于MATLAB中的SIMULINK软件平台，介绍了本次设计中较为常用的一些模块以及SIMULINK的仿真过程。经过对仿真模块的分析，利用MATLAB中现有的模块，将各个模块进行连接与封装，完成接收部分的整个程序。最终运行仿真程序得到仿真结果并进行分析。
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关键字:蓝牙,通信,原理,模块,仿真
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第 1 章 绪论 1
1.1 设计背景 1
1.2 研究的目的与意义 1
1.3 论文构成 2
第2章 蓝牙通信技术基础 3
2.1 蓝牙技术的概述 3
2.1.1蓝牙技术的特点 3
2.1.2蓝牙技术的应用 4
2.2 蓝牙技术的原理 5
2.2.1 蓝牙通信系统组成 5
2.2.2 蓝牙的组网形式 7
2.2.3 蓝牙基带 7
2.2.4 跳频 8
2.2.5 数据传输类型 9
2.2.6 蓝牙编译地址 9
2.2.7 蓝牙的工作状态 10
2.2.8 蓝牙的安全性 11
第 3 章 蓝牙通信系统数据接收部分的设计 12
3.1整体设计介绍 12
3.2设计原理 13
3.2.1 MFSK的原理 13
3.2.2信道编码和译码 15
3.2.3 纠错机制 15
3.2.4 误码率 16
第 4 章 蓝牙通信系统数据接收部分的仿真 18
4.1 MATLAB/Simulink软件仿真平台 18
4.1.1 Simulink模块库 18
4.1.2 Simulink仿真过程 19
4.2 接收部分仿真程序 20
4.3 仿真模块分析 21
4.4 仿真结果分析 29
第 5 章 总结与展望 32
5.1 总结 32
5.2 展望 33
致谢 34
参考文献 35
附录 37
第 1 章 绪论
1.1 设计背景
1998年5月，在一个由爱立信、因特尔、诺基亚等五家著名公司联合开展的关于短程无线通信技术的标准化活动上，蓝牙技术这个概念被正式提出。这个首次被提出来的新技术旨在能够为通信行业提供一种低成本和短距离的无线传输应用技术。在提出这个概念之后，这五家公司成立了一个名为蓝牙的特别兴趣小组，目的是通过兴趣小组对蓝牙的研究，使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。其中，英特尔公司负责的内容是开发传输软件以及半导体芯片；爱立信公司负责的内容是开发射频技术以及移动电话的软件，东芝以及IBM公司负责的内容则是开发笔记本电脑上的接口规格。在1999年的下半年，最先成立蓝牙特别兴趣小组的五家公司和新加入进来的三星、微软、摩托罗拉、朗讯公司一起成立了蓝牙技术推广组织。随后，蓝牙技术在全球范围内流行起来，越来越多的应用蓝牙技术产品的随之出现，蓝牙技术展现出了极其广阔的市场前景。
就目前来说，蓝牙（Bluetooth）是一种短距离、低功率和廉价的无线通信技术，它能将各种通信设备、计算机及终端设备、数据系统、甚至家用电器之间用无线的方式连接，大大增加了便携性[1]。对于蓝牙通信这种目前较为成熟的技术，对其进行分析研究，能让我对蓝牙通信的整个过程有更深的了解，同时也能在这个过程中学习到很多相关的知识，锻炼我独立思考与工作的能力，提高自己。
1.2 研究的目的与意义
随着科技发展，蓝牙技术的发展非常迅速，它具有非常广阔的应用范围。目前国内从事蓝牙技术方面的工作人员越来越多，对其研究也越来越深入。但是和国际上的蓝牙技术研究相比,国内蓝牙技术还需要更进一步。对蓝牙技术的研究符合无线通信领域的发展趋势，对蓝牙技术的发展具有很好的推动作用。其实际和指导意义对我国在蓝牙技术方面的发展和相关产品的研发会产生积极的影响。蓝牙技术的特点是无线通信，它会为人们的生活带来便利，具有广阔的市场。因此，对其进行理论和实践方面的研究能使其应用范围更为广泛，对人们的生活产生积极的影响也更为深刻?哉錾缁峋哂谢囊庖濉Ｋ运担岳堆兰际醯难芯渴潜厝挥肟隙ǖ摹?
1.3论文构成
这篇论文的课题是蓝牙通信中数据传输部分的分析与设计。我是这样来安排论文的结构的：
第1章的内容是：绪论部分。第2章的内容是：首先介绍了蓝牙技术的整体概述，其中包括了蓝牙技术的特点、蓝牙技术的应用等等，然后开始介绍蓝牙技术的原理，包括蓝牙的网络系统构成、基带层协议、数据传输类型、编译地址、跳频模块、纠错、安全性等等内容。第3章的内容是：对蓝牙通信系统中数据接收各部分的设计，其中包括了对接收端、跳频解调模块、信道译码、计算误码率的分析和设计。第4章的内容是：数据接收部分的仿真，首先简单介绍了Simulink的模块库以及在本次设计中比较常用的一些模块，然后对各个具体模块进行分析，最后运行得到仿真结果，并且对整个过程进行总结。第5章的内容是：对整篇论文的总结和对未来的展望。
第2章 蓝牙通信技术基础
2.1 蓝牙技术的概述
蓝牙技术是一种在设备与设备之间进行数据传输、语音传输的短距离、低功耗的技术规范，它能够为移动设备之间的通信环境建立一个特别的连接，使它们能进行无线通信。通过使用蓝牙技术，数据的传输能变得更加快捷、高效，拓宽了移动设备之间进行无线通信的道路。蓝牙技术的本质是建立能够通用的无线电空中接口和使用符合技术规范的公开标准，这样就能使不同厂家应用蓝牙技术生产出来的不同的产品可以相互之间在短距离范围内进行无线通信和数据传输。简单地来说，蓝牙技术的作用就是简化移动设备之间的通信网络，使移动设备之间的通信变得更为简单高效。
2.1.1蓝牙技术的特点
蓝牙技术是为了实现便携式移动设备、计算机及终端设备、各种数据系统、甚至家用电器之间的无线通信产生的。就目前的情况来看，蓝牙技术的应用非常广泛，它的实用性也非常之高。蓝牙技术的特可以简单归纳为以下几点：
（1）全球性的适用范围
因为蓝牙工作在2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频段，在全球范围内，很多国家的ISM频段范围都在2.402~2.483GHz之间。所以，使用该频段没有必要向各个国家的无线电资源管理部门申请许可证，这就使得蓝牙技术的适用范围非常广泛，提高了方便性。
（2）同时传输语音和数据
蓝牙技术中所采用的交换方式有两种，分别为：电路交换和分组交换。它可以支持包含三路语音信道、异步数据信道、异步数据和同步语音同时传输的信道等多种信道[2]。当采用对称信道传输数据时，传输速率最高为342.6kbit/s；当采用非对称信道传输数据时，正向最高速率为721kbit/s,反向最高速率为57.6kbit/s；同时，每个语音信道的数据传输速率为64kbit/s[3]。蓝牙技术包含两种链路类型：异步无连接ACL链路和同步面向连接SCO链路。
（3）临时性的对等连接
蓝牙设备在通信网络中的角色可以分为主设备（Master）和从设备（Slave）。依据主发从收的原则，主设备是主动发起连接请求的设备，而从设备则是接收数据的设备[4]。因为蓝牙中所采用的是时分复用技术，所以一个蓝牙设备能够按照一定的时间顺序分别参与到不同的微微网（蓝牙最基本的网络形式）中。
（4）较强的抗干扰能力
由于工作在ISM频段的无线电设备是非常多的，比如微波炉、车门控制器、无线鼠标等等。所以，蓝牙中采用了跳频模块来扩展频谱，从而抵抗其他设备的干扰。扩张频谱的意思是将2.402~2.483GHz这个频段范围内的频谱分为79个频点，每个相邻频点之间间隔1MHz，这些频点之间的排列顺序是伪随机的。通过这种方式，蓝牙设备在某一频点发送完数据之后，就可以跳到另一个频点继续发送数据[5]。
（5）开放的接口标准、体积小、功耗低、成本低
开放的接口标准使得许多厂商对应用蓝牙技术的产品都进行了开发，应用范围也变越来越广泛。蓝牙芯片的体积非常小，可以很方便地集成到设备之中。蓝牙产品的输出功率也很小，只有1mW左右。科技的不停发展，使得生产蓝牙芯片的厂商非常多，它的成本也在不停地下降。
2.1.2蓝牙技术的应用
随着科技发展，蓝牙技术的应用使得各种移动设备以及计算机外设等数字设备之间可以进行无线连接。蓝牙技术应用在越来越多的便携式移动设备上，甚至在家电产品和许多其他设备上也集成了蓝牙技术。蓝牙技术使人们的生活变得更加丰富多彩。举几个主要的应用：
(1)蓝牙车载耳机
这个应用在我们的生活中出现的非常广泛。采用蓝牙技术的车载耳机能让我在保持通话的前提下获得最大的自由度。特别是在开车时接听电话，使用蓝牙车载耳机能够在不影响行车安全的同时接听电话。
(2)无线局域网
随着具备蓝牙功能的产品越来越多，无线局域网就能够被构成了。无线局域网的构成，使得即使不具备蓝牙功能的设备，也能通过蓝牙适配器和蓝牙网关，从而实现无线联网[6]。
(3)消费娱乐产品
采用蓝牙技术的产品在我们的周围就很多，比如蓝牙mp3、蓝牙鼠标、蓝牙键盘、蓝牙闪存等等，这些产品的使用能够丰富我们的生活，同时也为我们提供了方便。
2.2 蓝牙技术的原理
前面的内容提到了蓝牙的特点和它的应用范围，这让我们了解到蓝牙技术已经融入到了我们的生活之中，也为我们的生活带来了许多方便。所以，要发展蓝牙技术，就必须研究蓝牙技术的原理。为了能够更好地完成本次毕业设计，下面介绍蓝牙技术的一些基本原理。
2.2.1 蓝牙通信系统组成
蓝牙通信系统的主要构成分为底层硬件模块、中间协议层和应用层三部分。如图2.1所示。
蓝牙底层模块由三部分构成，分别为射频层（RF），链路管理层（LM）,基带层（BB）[7]。底层模块是蓝牙技术的核心模块,一般使用蓝牙技术的设备都必定含有底层模块这部分。这部分的功能是：射频层通过2.4GHz ISM频段,可以实现过滤数据和传输数据的功能。BB层支持的是两种不相同物理链路: SCO同步面向连接链路和ACL异步无连接链路，这两种链路的作用是负责蓝牙跳频系统、数据以及帧的传输,同时对所传输的数据包进行不同方式的FEC前向纠错和CRC循环冗余校验[8]。LM链路管理层的作用是使两个或多个设备之间的链路进行建立或者拆除，同时保证链路的安全以及对其进行控制,如鉴权、加密、确定基带包大小等内容,它提供了不同的上层软件模块连接进行访问的入口[9]。蓝牙主机控制器接口（HCI）的组成包含链路管理器、基带控制器和事件寄存器等。它是蓝牙模块中软件与硬件相连接的接口。HCI提供了一个统一的命令协议，使其能够调用基带层、链路管理层和控制寄存器等硬件[10]。
原文链接：http://www.jxszl.com/dzxx/txgc/1833.html
