BLE 5协议栈-物理层

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1. 简介

物理层（Physical Layer）是BLE协议栈最底层，它规定了BLE通信的基础射频参数，包括信号频率、调制方案等。

BLE工作频率是2.4GHz，它使用GFSK频率调制，并使用跳频机制来解决频道拥挤问题。

BLE 5的物理层有三种实现方案，分别是1M Sym/s的无编码物理层、2M Sym/s的无编码物理层和1M Sym/s的编码物理层。其中1M Sym/s的无编码物理层与BLE v4系列协议的物理层兼容，另外两种物理层则分别扩展了通信速率和通信距离。

2. 频段和跳频

大多数无线通信的频段需要申请授权才可以使用，不同地区开辟了少量免授权频段，只要产品满足当地无线电规范，即可免授权使用。下图展示了全球免授权的频段及其分布（链接）：

图中2.4GHz的频段很强势，覆盖了整个地图，是专为工业（Industrial）、科学（Scientific）和医学（Medical）三个机构使用，称为ISM频段。全球范围都可以免授权使用ISM频段。

BLE即工作在2.4GHz频段。

2.4GHz频段信号有明显的优缺点，优点是免费、技术成熟，缺点是频段拥挤、信号传播特性差、遇水衰减。目前除了蓝牙信号外，WIFI、ZigBee、无线键盘、无线玩具甚至微波炉都工作在这个频段，当一个空间内同时运行着多个无线设备时，频带占用情况如下图（链接）：

其中绿色的脉冲为BLE信号，红色信号分别是WIFI、微波炉和无线设备，它们形成了干扰噪声。

BLE工作在2.400GHz – 2.480GHz频率区间，并将这个区间均匀分为40个频道，相邻频道间隔2MHz。在不引起误解的情况下，频道也称为信道，40个信道的频率和分布如下图：

BLE使用跳频技术来解决频段拥挤问题，即令每次数据通信发生在不同的信道上，假如某个信道拥挤，则避开该信道，选择其他可用信道进行通信。

一个简单的跳频算法是：F(n+1) = [F(n) + hop] % 37，其中hop参数为物理层自己设定的跳频参数。

实际中使用自适应跳频算法来更新通信信道。

自适应跳频的工作机制是，如果某个信道拥挤则做上标记，工作时维护一张信道表以记录各信道的拥挤情况，并将拥挤信道映射到可用信道中，然后结合上述简单跳频算法共同完成信道选择。假如简单跳频算法结果指向一个拥挤信道，则进一步跳转到它映射的可用信道上，从而实现数据通信总是工作在可用信道上。

3. 调制

3.1 调制方式

物理层定义了两种调制方式。

一种方案采用高斯频移键控GFSK，具有1MSym/s的符号速率。第二种方式是与第一种相似（Similar），但是具有2MSym/s的符号速率。

第一种方式又分成两种类型：

• LE 1M Uncoded PHY。该方式的比特率为1Mb/s，它是BLE v4版本协议保持兼容。
• LE 1M Coded PHY。该方式对报文进行编码，使接收端收到的报文具有前向纠正的能力，在相同误码率条件下，能够显著降低误码重传次数，从而提高通信速率。 如果采用8符号编码，比特率为125kb/s，如果采用2符号编码，比特率为500kb/s。

LE 1M Uncoded PHY是BLE协议强制要求实现的物理层，而LE 1M Coded PHY则是可选方案。

这两种实现方式符号速率都是1MSym/s。

符号速率中的“符号”是指单次采样所得到的信息，这个信息可能包含多个比特，也可能多个信息等效于一个比特。比如一个电压幅度调制系统中，用+5V表示11b， +2V表示10b， -2V表示01b， -5V表示00b，那么采样一次电压可以获得两个比特信息，此时比特率是符号速率的两倍。在LE 1M Coded PHY机制中，用8个符号表示1个比特，此时比特率是符号速率的1/8。

第二种物理层实现方式为：

• LE 2M Uncoded PHY。该方案的比特率为2Mb/s，是可选的实现方式。

官方文档使用LE 1M PHY、LE Coded PHY、LE 2M PHY来表示以上三种不同的物理层实现方式：

物理层	调制方式	编码方案 （报头部分）	编码方案 （有效载荷）	比特率
LE 1M PHY	1Msym/s 方式	无编码	无编码	1Mb/s
LE 2M PHY	2Msym/s 方式	无编码	无编码	2Mb/s
LE Coded PHY	1Msym/s 方式	编码S=8	编码S=8; 编码S=2	125kb/s; 500kb/s

表中的S=8表示8个符号编码成1个比特。

3.2 GFSK

频率调制是将低频数据信号加载到高频载波上，数据的变化反映为调制波频率的疏密变化，如下图所示：

数字化的信号仅有0、1变化，在调制时，可以定义载波频率正向偏移视为1，负向偏移视为0。这种调制方式称为“频移键控（FSK）”。数字信号发生0/1变换时，会产生大量噪声，引入高斯滤波器能够延展0/1变换时间，从而降低噪声。这种做法称为“高斯频移键控（GFSK）”。

GFSK技术成熟，实现简单，适合低功耗BLE的需求。

BLE协议规定，中心频率正向偏移大于等于185kHz视为比特1， 负向偏移大于等于185kHz视为比特0。如果选择2402MHz作为中心频率，比特1的频率应为2402.185MHz， 比特0的频率应为2401.815MHz。

4. 发射机

4.1 发射机框图

图中信号从左向右流动，基带信号经过GFSK调制分成同相（I信号）和正交（Q信号）两路信号，再依次经过DA转换和低通滤波器，然后利用频率合成器进行频率上转换，再将两个信号分量合成后通过PA放大将信号推送到天线上。

I/Q相位分量并行操作用以抑制镜像频率，PLL驱动的频率合成器可以产生稳定和精确的频率信号，其他的滤波和变换则比较容易理解。（链接）

4.2 发射机参数

（1）发射功率

最小输出功率	最大输出功率
0.01mW (-20dBm)	100mW (+20dBm)

当两个设备首次连接时，应该避免将输出功率调至最大，这可能导致对端设备的接收器瞬间饱和，造成通信失败。

BLE协议按照输出功率将BLE设备分成如下几类：

功率等级	最大输出功率	最小输出功率
1	100mW (+20dBm)	10mW (+10dBm)
1.5	10mW (+10dBm)	0.01mW (-20dBm)
2	2.5mW (+4dBm)	0.01mW (-20dBm)
3	1mW (0dBm)	0.01mW (-20dBm)

第一等级值得注意，如果设备最大输出功率为+20dBm，那么最小功率等于+10dBm。

（2）调制参数

调制方式：GFSK

带宽时间积BT：0.5

调制因子：0.45-0.55

有效频率偏移为：±185kHz

时钟精度：±50ppm

（3）杂散波

使用某个频率发射随机数据，在相邻±2MHz的频点位置，杂散波功率应小于-20dBm，在相邻±3MHz以上的频点位置，杂散波功率应小于-30dBm。

（4）射频容限

中心频率偏移小于等于±150kHz。

最大频率漂移小于等于±50kHz。

最大频率漂移速率小于等于400Hz/us。

由于射频频率稳定性跟晶振有直接关联，所以频偏参数限定了外部射频晶振的误差值。

举个例子，使用16MHz的外部石英晶振为射频提供时钟，16MHz扩频到2.4GHz需要放大150倍，其误差也将一同放大150倍。假如它的误差为±50ppm，即16MHz × ±50ppm = ±800Hz，放大150倍后变成±120kHz，这几乎达到±150kHz的频偏限制，因此许多芯片都限制射频晶振的误差要小于50ppm。

假如使用24MHz的晶振，扩频倍数降低，那么相同的误差等级的晶振，将获得更优良的射频频偏参数。（不过16MHz的晶体更便宜和常用。）

5. 接收机

5.1 接收机框图

接收过程是发射过程的逆过程，但相比于发射机而言更加复杂，相关研究文献也更加丰富。

这篇项目报告（链接）详细论述了蓝牙接收机的解调器，截取其中的接收机架构框图如下：

蓝牙信号进入到芯片内部，首先经过低噪声放大器（LNA），仍然是分成I/Q两个相位分量，再通过带通滤波器，使用VGA（Variable Gain Amplifier）进行放大，最后转成数字信号传入处理器中，这里框图省略了GFSK的解调过程，它位于AD转换器之后。

5.2 接收机参数

（1）误码率

BLE通信过程，可能因为外部干扰而导致数据发送失败，使用误码率BER（Bit Error Rate）表征比特传输失败的几率。

误码率过高会影响通信速率，BLE协议要求传输小型报文时，误码率要低于0.1%。这也是BLE设备RF性能测试的一个标准。

BLE协议规定了传输不同长度报文的误码率的阈值：

最大支持的Payload长度	BER阈值（%）
≤ 37	0.1
38 ~ 63	0.064
64 ~ 127	0.034
≥ 128	0.017

（2）接收灵敏度

BLE协议对于编码型和非编码型物理层给出了不同的接收灵敏度要求：

物理层类型	接收灵敏度（dBm）
LE Uncoded PHY	≤ -70
LE Coded PHY with S=2 coding	≤ -75
LE Coded PHY with S=8 coding	≤ -82

市面上的BLE芯片大多都宣称达到-90dBm甚至更低的接收灵敏度，某BLE 5的芯片其接收灵敏度甚至高达-97dBm。

在理想的条件下，假设发射机输出功率是0dBm，接收机灵敏度是-90dBm，发射机输出信号经过一段路径到达接收机，功率衰减到-90dBm，意味着这段路径上的路径损耗等于90dB。如果输出功率是20dBm，当衰减至-90dBm时，路径损耗就是110dB。

路径损耗与通信距离有如下相关性：

path loss = 40 + 25 × log(distance)

做成表格将更加直观：

路径损耗(path loss)	通信距离(distance)
50dB	2.5m
60dB	6.3m
70dB	16m
80dB	40m
90dB	100m
100dB	250m
110dB	630m

如果通信距离为630m，通信系统需要能够承受110dB的路径损耗。

当发射功率为默认0dBm，接收灵敏度为BLE协议规定的最小值-70dBm，那么可实现的最大距离为16m，这也是许多文档认为BLE是一个10米范围的通信技术的原因。考虑到大多数BLE芯片的接收灵敏度都优于-90dBm，实际通信距离应大于10米。

BLE 5的推出，极大提升了通信距离的潜力，各芯片厂商正努力提升通信距离。最近Nordic和TI针对自家BLE 5芯片做了实际测试，在良好的环境下通信距离超过1000米，令人吃惊。

（3） 抗干扰能力

一个接收机的同频道噪声抵抗能力为21dB，相邻的1MHz频点处的噪声抵抗能力为15dB。

1M PHY与2M PHY的要求略有不同。

对带外（2.4GHz范围外的频段）噪声，也应有相应的抵抗能力。

（4）最大有效功率

接收机至少在-10dBm下能够正常工作，保证BER优于0.1%。

6. 收发机

前面介绍了发射机和接收机，在实际的BLE芯片中，接收机和发射机放在同一个电路中，称为收发机（Transceiver），下图是一个2.4GHz产品框图，有实际的参考价值（链接）：

（完）