Bluetooth принципи побудови і функціонування (стр. 4 из 5)

У Bluetooth-технології сфокусовані кращі на сьогоднішній день досягнення сучасної мікроелектроніки як в області апаратури (Hardware), так і в програмному забезпеченні (Software). Bluetooth-системи відносяться до класу взаємодіючих відкритих систем. Bluetooth-устройства фізично є мікросхемами, що забезпечують зв'язок в діапазоні 2,4 Ггц. Цей діапазон в більшій частці європейських країн і США відноситься до смуги для приладів промислового, наукового і медичного застосування - ISM (Industrial, Ssientific, Medical). Його експлуатація не вимагає ліцензування. Вживана частота означає, що майдан кристалів в Bluetooth-устройствах не перевищує квадратного сантиметра, а споживана потужність вельми мала (1.2,5 мВт). Пристрої забезпечують зв'язок на відстані до 10 метрів. При збільшенні потужності до 100 мВт Bluetooth-устройства стануть більш "далекобійними" (до 100 м).

Технологія Bluetooth повністю відкрита. Будь-яка компанія, що підписала ліцензійну угоду, може увійти до складу Bluetooth SIG і зачати створювати продукти на її основі. Для виключення появи несумісних пристроїв розроблені докладні специфікації, що включають детальний опис методів використання нового стандарту і характеристики протоколів передачі даних. Спрощена блок-схема Bluetooth-связи представлена на рис.1.

Рис. Bluetooth-связь між хостами - програмне забезпечення; - вбудоване програмне забезпечення, - апаратура

На прикладі Bluetooth-зв’язку за типом "крапка - крапка" показана інформаційна взаємодія двох хостов. Кожен Bluetooth-модуль містить формуючу і приймально-передавальну апаратуру, а також вбудоване або "зашите" програмне забезпечення (Firmware). До останнього відноситься інтерфейс хост-контроллера (HCI), менеджер зв'язку (Link Manager), а також контроллер частоти (Baseband). Зв’язок модуля, що несе, з хостом на фізичному і канальному рівнях здійснюється з допомогою шин USB, UART, РС Card і відповідного вбудованого ПО. До фізичного рівня відноситься також радіолінія між модулями.

Модуль підтримує прийом - передачу даних і мовних сигналів. Зв'язок між модулем і хост-контроллером проводиться за допомогою високошвидкісного USB-интерфейса або UART/PCM-интерфейса. Коли використовується USB-интерфейс, модуль є USB-ведомим приладом і тому не вимагає ресурсів персонального комп'ютера.

Інтерфейс хост-контроллера (ІХК) в модулі є командним інтерфейсом. Хост через ІХК направляє команди, а у відповідь приймає від модуля повідомлення про їх виконання. Менеджер зв'язку встановлює необхідну конфігурацію ІХК.

Технологія Вluetooth передбачає два види зв'язку: синхронну - SCO (Synchronous Connection Oriented) і асинхронну - ACL (Аsynchronous Connectionless). Перший вигляд, SCO, розрахований на встановлення симетричного з'єднання "крапка - крапка" і служить переважно для передачі мовних повідомлень. Швидкість передачі інформації SCO дорівнює 64 Кит/с. Другий, ACL, призначений для пакетної передачі даних. Він підтримує симетричні і асиметричні з'єднання типа "крапка - багато крапок". Швидкість передачі пакетної інформації при ACL складає порядка 721 Кбіт/с. Пакети даних мають фіксований формат. На початку блоку знаходиться 72-бит код доступу. Він може застосовуватися, зокрема, для синхронізації пристроїв. За ним слідує 54-бит заголовок пакету, що містить контрольну суму пакету і інформацію про його параметри (наприклад, про повторну передачу блоку даних). Замикає пакет область, що безпосередньо містить інформацію, що пересилається. Розмір цієї області варіюється від 0 до 2745 битий.

Основоположним принципом побудови систем Bluetooth є використання методу розширення спектру при стрибкоподібній зміні частоти (FHSS - Frequency Hop Spread Spectrum). Весь виділений для Bluetooth-радіозв'язку частотний діапазон 2,402.2,480 Ггц розбитий на N частотних каналів (мал.2а). Смуга кожного каналу 1 Мгц, рознесення каналів - 140.175 кГц. Для кодування пакетної інформації використовується частотна маніпуляція (рис.2б).

Рис 2. Частотний діапазон Bluetooth (а) і спосіб кодування пакетної інформації

Для США і Европи N = 79. Виняток становлять Іспанія і Франція, де для Bluetooth застосовується 23 частотних каналу. Зміна каналів проводиться по псевдовипадковому закону з частотою 1600 Гц. Постійне чергування частот дозволяє радіоінтерфейсу Bluetooth транслювати інформацію по всьому діапазону ISM і уникнути дії перешкод з боку пристроїв, що працюють в цьому ж діапазоні. Якщо даний канал зашумлений, то система перейде на іншій, і так відбуватиметься до тих пір, поки не виявиться канал, вільний від перешкод. На мал.3 показана частотно-тимчасова плоскість, що ілюструє одночасну роботу трьох Bluetooth-модулів. Модулі працюють тактами (слотами), тривалістю 625 мкс. Кожному модулю в межах кожного такту призначається відповідний частотний канал і режим передачі або прийому.

Рис 3. Частотно-тимчасова діаграма роботи модулів Bluetooth

Коли пара будь-яких Bluetooth-устройств з'єднується, то вони утворюють пікомережу. Апарат, що ініціює зв'язок, є таким, що веде (host, master), а останні - веденими (slaves). Зазвичай ведучим є той модуль, який розміщений в найбільш потужному пристрої, такому, як персональний комп'ютер або плата CPU МІНІ-ЕОМ. Число модулів в пікомережі не обмежується, але у будь-який момент часу активні мають бути не більше восьми. Не існує різниці як в апаратній, так і в програмній частці між ведучими і веденими пристроями. Будь-яке з них може бути і тим і іншим. Те, що веде формує пікомережа (у кожній мережі воно тільки одне) і повністю контролює трафік. Ведені можуть посилати повідомлення тільки в інтервалі "ведені - ведучому" після того, як до них звернувся в попередній слот "ведучий - веденим". Якщо в цьому інтервалі у ведучого немає ніякої інформації для відправки веденим, то він передає пакет тільки з кодом доступу і заголовком. Якщо в мережі опиняється більше 8 пристроїв, то буде сформована друга пікомережа і так далі. Передбачена координація трафіку і між мережами.

Безліч пікомереж, здатних взаємодіяти один з одним, формують розподілену мережу (Scatternet) (рис.4).

Рис 4. Пікосеті і розподілена мережа BLUETOOTH

Не дивлячись на FHSS, пристрої Bluetooth не завжди можуть виключити проблеми, пов'язані з дією перешкод в діапазоні 2,4 Ггц. Тому окрім FHSS використовується спеціальне кодування сигналів. По-перше, кодування трафіку помітно підвищує рівень захищеності зв'язку. По-друге, кодування дозволяє за допомогою спеціальних алгоритмів виявляти і коректувати помилки передачі даних. Крім того, щоб бути упевненим в тому, що пристрої вступають в зв'язок тільки з авторизованими на те пристроями, передбачена також вбудована процедура аутентифікації. Цим присікається несанкціонований доступ до даних.

Модуль ROK 101 007 виробництв ERICSSON Microelectronics є базовим для здійснення Bluetooth-связи. Він відповідає вимогам специфікації Bluetooth v.1.0b. Розміри модуля 32,8х16,8х2,75 мм. Він може бути вбудований в будь-який електронний пристрій.

На рис.5 показана структурна схема модуля.

Рис 5. Структурна схема модуля BLUETOOTH ROK 101 007

Модуль містить контроллер частоти (baseband controller), що несе, флэш-пам’ять, радіомодуль PBA 313 01/2, а також регулятор напруги і кварцевий генератор на 13 Мгц. Для повноцінного функціонування радіомодуль має бути приєднаний до baseband або до приладу, який може його емулювати. Baseband побудований на основі процесора ARM7. Його важливими функціями є читання і запис інформації у внутрішні регістри радіоконтроллера ASIC. Ці регістри використовуються для установки частоти, налаштування і управління.

PBA 313 01/2 є крайовим каскадом системи Bluetooth-связи. У нім використані кульові роз'єми BGA, а всі дискретні елементи змонтовані на одній стороні плати, яка побудована на основі технології LTCC - низькотемпературної спільно обпалюваної кераміки. Плата складається з 6 шарів цієї кераміки і 7 металевих шарів. Спеціалізована мікросхема Radio ASIC - радіоконтроллер за допомогою роз'ємів BGA підключена до підкладки радіомодуля, а мікросмужний резонатор VCO для забезпечення необхідних характеристик оброблений за допомогою лазера. Спільний вид радіомодуля і спосіб кріплення чіпа радіоконтроллера на його платі показаний на мал.6.

Малюнок 6. Спільний вид радіомодуля PBA 313 01/2 (а) і спосіб кріплення радіомодуля і ASIC до спільної плати ROK 101 007/2 (б)

Зв'язок між baseband і радіоконтроллером здійснюється через послідовний інтерфейс. Для PBA 313 01/2 потрібні зовнішня антена і кварц на 13 Мгц або вхідний тактовий сигнал. Проблема живлення вирішується так: одне джерело 2,8 В живить VCO (генератор керований напругою), а друге джерело 2,2 В - решта всіх ланцюгів. Обидва формуються з вхідної напруги 3,3 В. Джерела мають бути розв'язані по низькій частоті.

Передавач має три класи потужності: 1-й клас - 100 мВт (20 дБ), 2-ою клас - 2,5 мВт (4 дБ), 3-ий клас - 1 мВт (0 дБ). Чутливість приймача не гірша - 70 дБ.