02

調(diào)制方式

眾所周知，BLE是采用2GFSK-BT0.5的調(diào)制方式，這也是應(yīng)用非常廣泛的一種調(diào)制方式，如移動(dòng)通信、航空與航海通信等諸多領(lǐng)域中均會(huì)使用到該調(diào)制方式；其中G是Gauss Filter的縮寫，其作用就是用來限制信號(hào)的頻譜寬度，所以GFSK的意思就是說：

當(dāng)原始數(shù)字信號(hào)在經(jīng)過FSK調(diào)變送出前，加上一個(gè)高斯低通濾波器來限制調(diào)變后的信號(hào)頻譜寬度，使得在通訊上能限制頻譜寬度的傳輸以及功率的消耗

而BT則是高斯濾波器的一個(gè)參數(shù)，其作用如下圖所示：

從上述的兩幅圖中可以看到，BT值越小，高斯低通濾波器信號(hào)在頻域所占的帶寬越窄，頻譜利用率越高，相反時(shí)域的信號(hào)時(shí)延越長，對(duì)其他信號(hào)造成的干擾越大。所以為了減小碼間串?dāng)_且擁有較高的頻譜效率，低功耗藍(lán)牙的BT選擇為0.5；而這個(gè)時(shí)候讀者們可能會(huì)如下幾個(gè)疑問：

疑問1

那2FSK在時(shí)域和頻域又是怎么樣的呢？

疑問2

BLE為什么要選擇2GFSK，而不是2FSK？

首先，讓我們先看一看2FSK在時(shí)域上的表現(xiàn)是怎么樣的，如下圖所示：

又是一堆熟悉而陌生的數(shù)學(xué)公式，是不是又到了后悔莫及的環(huán)節(jié)？當(dāng)年要是多放點(diǎn)心思在學(xué)習(xí)上，而不是忙著去泡妞，也不至于現(xiàn)在妞跑了，知識(shí)也沒有學(xué)習(xí)到的地步，哈哈。言歸正傳，既然時(shí)域是這樣的，那么對(duì)應(yīng)的頻域又是什么樣的體現(xiàn)形式，如下：

從上述2FSK在時(shí)域以及頻域的表現(xiàn)形式看，就算我們對(duì)上述的公式不太了解，我們?nèi)匀豢梢缘弥?FSK的比特1和2FSK的比特0是通過不同的頻率來表示的，而 BLE標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定基于中心頻點(diǎn)的正頻率偏差表示為1，負(fù)頻率偏差表示為0（更多的詳情，請參考藍(lán)牙規(guī)范的Vol.6, Part A, Section 3.1） ；這里引入了一個(gè)頻率偏差的概念，其含義如下：

調(diào)制波與載波的頻率差為頻率偏差，而正頻率偏差，則表示調(diào)制波減去載波的頻率差為正數(shù)，反之為負(fù)頻率偏差

同時(shí)，BLE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)頻率偏差是有規(guī)定的，如下：

• ≥185Khz@1Msym/s
• ≥370Khz@2Msym/s

也許讀者讀到這里，仍然一頭霧水，沒有關(guān)系，接下來為了鞏固上述的理解，這里小編舉一個(gè)例子：

如果當(dāng)前BLE工作在2402MHz這個(gè)頻點(diǎn)，那么此時(shí)中心頻點(diǎn)以及載波的頻率就是2402MHz，現(xiàn)在BLE想在這個(gè)頻點(diǎn)使用1M的PHY發(fā)送01兩個(gè)比特的數(shù)據(jù)且頻率偏差為200Khz，即比特1的頻率就是2402MHz+0.2MHz，而比特0的頻率就是2402MHz-0.2MHz，而對(duì)應(yīng)的接收機(jī)收到這兩個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)，就知道對(duì)端設(shè)備傳送的是01這兩個(gè)比特的數(shù)據(jù)

看完這個(gè)例子之后，或許有部分讀者仍然有如下的問題：

問題

01如果頻率偏差小于185KHz會(huì)怎么樣？首先，頻率偏差越小，對(duì)應(yīng)的頻譜密度效率就越高，但是會(huì)降低接收靈敏度，所以當(dāng)BLE的信號(hào)的頻率偏差小于185KHz，那么就會(huì)導(dǎo)致對(duì)端的設(shè)備無法解調(diào)此信號(hào)，從而造成通信失敗

02如果頻率偏差過大，如800KHz又會(huì)怎么樣？如果頻率偏差過大，那么頻譜密度的效率就會(huì)降低，而且此時(shí)的BLE信號(hào)的占用寬帶就會(huì)變大，根據(jù)卡森公式可知，2FSK調(diào)制方式的信號(hào)的理想占用寬帶為：2x頻率偏差+符號(hào)速率；如果使用了1Msps的符號(hào)速率，那么計(jì)算出來的占用寬帶就是：2x800+1000 = 2600KHz = 2.6Mhz，而BLE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定40個(gè)信道且其之間的間距是2MHz，這就意味著不管工作在哪個(gè)信道，均會(huì)影響到其鄰近信道的信號(hào)，雖然高斯濾波會(huì)限制最終的信號(hào)占用帶寬，但是仍然有很大的概率會(huì)干擾到鄰近的信道；這也是為什么當(dāng)使用2M PHY時(shí)，鄰近的信道會(huì)很容易受到干擾

03每一個(gè)BLE芯片廠商的頻率偏差是一樣的嗎？各個(gè)芯片廠商根據(jù)自身芯片的工藝及芯片設(shè)計(jì)能力不同，而頻率偏差也是各有差異，但是基本上必須符合下述的要求：

各個(gè)芯片廠商根據(jù)自身芯片的工藝及芯片設(shè)計(jì)能力不同，而頻率偏差也是各有差異，但是基本上必須符合下述的要求：

• 1Msym/s
  • 當(dāng)使用00001111測試序列時(shí)，平均頻率偏差應(yīng)符合225 kHz ≤?f1avg≤275 kHz的范圍
  • 當(dāng)使用10101010測試序列時(shí)，至少99.9%的最大頻率偏差應(yīng)大于等于185Khz
• 2Msym/s
• 當(dāng)使用00001111測試序列時(shí)，平均頻率偏差應(yīng)符合450 kHz ≤?f1avg≤550 kHz的范圍
• 當(dāng)使用10101010測試序列時(shí)，至少99.9%的最大頻率偏差應(yīng)大于等于370Khz
• 更多的詳情，請參考BT RF-PHY測試規(guī)范（https://www.bluetooth.com/specifications/qualification-test-requirements/）

至此，我相信大部分讀者此時(shí)應(yīng)該明白2FSK是如何進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，以及頻率偏差與數(shù)據(jù)之間的關(guān)系；接下來，讓我們看看為什么BLE要選用2GFSK而不是2FSK，如下圖所示：

從上圖可知，就調(diào)制信號(hào)而言，頻域下的2GFSK比頻域下的2FSK更加平滑，而且旁瓣雜散信號(hào)基本被過濾干凈，同時(shí)信號(hào)占用帶更窄了。但是，相較于2FSK調(diào)制而言，性能并沒有因此惡化，基本不變，而且頻譜密度效率還更高了。那既然這么叼，BLE毫無疑問肯定要選擇2GFSK調(diào)制方式啊。

03

中心頻點(diǎn)

眾所周知，BLE的工作頻道為2402~2480MHz，共有40個(gè)信道且信道之間的間隔為2MHz，即每個(gè)信道的中心頻點(diǎn)與下一個(gè)鄰近信道的中心頻點(diǎn)的頻率差為2MHz，如下圖所示：

這也就是說2402~2480MHz指的是載波的頻點(diǎn)，想要傳送的數(shù)據(jù)是加載至載波信號(hào)之后再傳送出去，結(jié)合上述的調(diào)制方式就很好理解了。所以，為了保證所有BLE的設(shè)備能正常的互相通信，BLE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定載波頻率的偏差不要超過150KHz，那這意味著呢？這里小編舉個(gè)例子：

BLE芯片使用的是32MHz@50ppm的高速晶體，且工作在2402MHz下，那么32MHz倍頻到2402MHz大約是75倍，這就意味著誤差也放大了75倍，即50x32x75=120KHz；換句話說，32MHz@50ppm的高速晶體倍頻到2402Mhz,實(shí)際的值是2402MHz ± 120KHz，這已經(jīng)很接近150KHz的限制了；因此，我們經(jīng)常可以在BLE芯片的規(guī)格書上，看到對(duì)高速晶體的要求的上限是50ppm

所以，如果出現(xiàn)BLE通訊異常或者掉線嚴(yán)重就要優(yōu)先查看下是不是載波的頻偏過大導(dǎo)致的。

04

通訊距離

小編在日常工作中經(jīng)常聽到或者網(wǎng)上看到有人問： “你們的BLE模組或者你們的BLE芯片能做到多遠(yuǎn)的通訊距離？” ，類似的問題小編在年輕的時(shí)候也經(jīng)常這樣問代理商或者BLE芯片原廠的工程師，但是現(xiàn)在基本不問了，并不是說小編現(xiàn)在變叼了，而是這是一個(gè)需要綜合考量的問題，它涉及到芯片的接收靈敏度、芯片的發(fā)射功率、天線的增益、電路板的布局以及測試的環(huán)境等等的因素，均會(huì)影響到最終的結(jié)果；接下來，小編將給大家闡述上述提及的這些關(guān)鍵因素對(duì)通訊距離的影響。

4.1

接收靈敏度

不管是BLE還是其他的通訊技術(shù)，接收靈敏度均是一個(gè)非常關(guān)鍵的指標(biāo)，很大程度上決定了芯片能傳多遠(yuǎn)；從專業(yè)的術(shù)語來解釋的話，接收靈敏度就是對(duì)應(yīng)的芯片能解調(diào)的最小的信號(hào)能量大小:

比如，某廠商的BLE芯片在1M PHY時(shí)的接收靈敏度為-97dBm，這就意味著當(dāng)接收方的BLE芯片收到信號(hào)的能量大小為-97dBm時(shí)，它仍然能將這個(gè)信號(hào)解調(diào)出來；大家都知道，隨著距離的增大，信號(hào)在空中傳播的衰減就越大，從而接收方收到的信號(hào)能量就越小，而很小的能量BLE芯片都能解調(diào)，那就間接說明通訊距離就越遠(yuǎn)。

用大白話來解釋的話，接收靈敏度就類似于一個(gè)正常人的聽力的敏捷度；如果一個(gè)人在別人說話很小聲的時(shí)候，他仍然能聽清別人說話，那說明這個(gè)人的聽力很好，那也意味著他可以聽到離他很遠(yuǎn)的人說話。

那么，上述說的-97dBm的信號(hào)都能被解調(diào)，是不是說-97dBm信號(hào)的內(nèi)容被百分之百完全正解解調(diào)出來？答案顯然是不是的，BLE標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接收靈敏度的規(guī)定是這樣的：

基本上，BLE芯片廠商都會(huì)將0.1% BER的接收靈敏度寫入到它們的規(guī)格書，即當(dāng)BLE芯片接收到信號(hào)并統(tǒng)計(jì)出來的BER為0.1%或者PER為30.8%時(shí)，此時(shí)該信號(hào)能量大小就是該BLE芯片的接收靈敏度。那么，有讀者可能會(huì)好奇它們之間是如何轉(zhuǎn)換的，小編此時(shí)再次祭出數(shù)學(xué)公式：

PER = 1- (1-BER)^(8*PayloadLength)

具體的計(jì)算如下圖所示：

其中上述公式中的PayloadLength = Payload(37Bytes) + Header(2Bytes) + Access Address(4Bytes) + CRC(3Bytes) = 46Bytes，而MIC則是在使用BLE安全相關(guān)加密時(shí)才會(huì)有這個(gè)字段，這里沒有采用安全相關(guān)的加密。所以，30.8% = 1-(1-0.1%)^(8*46)，這也就是說30.8%@PER轉(zhuǎn)換為BER時(shí)，BER等于0.1%。

4.2

發(fā)射功率

這個(gè)也是大家見到過最多，也是最容易理解的一個(gè)概念。顧名思義，就是通過功率放大器將信號(hào)的能量放大，從而使得該信號(hào)在空中傳播時(shí)，即使有衰減，但是對(duì)端設(shè)備仍然能收到較大的能量，這也間接導(dǎo)致通訊的距離增大；這就好比一個(gè)人正常說話的時(shí)候，可能周邊1-2米的人都可以聽到，但是一旦這個(gè)人生氣了，那么可能周邊10-20米的人就可以聽到他的聲音了，所以不要隨便生氣，好好說話！

4.3

環(huán)境

BLE設(shè)備工作的環(huán)境，同樣對(duì)通訊的距離有很大的影響，這也是很多工程師最容易忽略的一個(gè)因素，大家可以想想這樣的一個(gè)場景：

你女朋友在圖書館跟你說悄悄話，你聽到了之后開心地跟吃了蜂蜜一樣甜；但是，當(dāng)你在KTV跟朋友們唱歌時(shí)，你女朋友同樣對(duì)你說了句悄悄話，然后她就生氣地跑了

上面就是一個(gè)典型的案例，當(dāng)環(huán)境比較安靜或者說沒有什么其他干擾的時(shí)候，即使信號(hào)的能量很小 （仍然大于芯片對(duì)應(yīng)的接收靈敏度） ，對(duì)端設(shè)備都能接收并正確解調(diào)出來；但是，如果在一個(gè)干擾很大或者底噪很大的環(huán)境下，那么對(duì)端設(shè)備就不一定能接收并正確解調(diào)了，可能需要將信號(hào)提升到在底噪之上或者蓋過干擾，對(duì)端設(shè)備才能接收并正確解調(diào)出來。這也是為什么有的時(shí)候同樣的一個(gè)BLE設(shè)備在不同的地方，所體現(xiàn)出來的通訊距離不一樣，就是這個(gè)原因；同時(shí)，在我們學(xué)習(xí)BLE基礎(chǔ)知識(shí)的時(shí)候，也讓廣大讀者們領(lǐng)悟了一個(gè)道理；泡妞還是要選擇一個(gè)安靜的地方，原因你懂得！

4.4

其他

至于PCB的布局以及天線的阻坑匹配，同樣會(huì)影響到BLE的通訊距離，但是目前很多工作都可以在PCB廠完成，如50歐姆阻坑的走線，PCB廠商就可以幫你搞定，自然也就省去了后續(xù)的匹配。

4.5

神器

按照小編對(duì)目前國內(nèi)工程師的了解，可能有部分的工程師就會(huì)罵小編：你只會(huì)湊字?jǐn)?shù)，BB這么久我還是不知道BLE設(shè)備最終能傳多遠(yuǎn)，我想要最終的結(jié)果，其他的我并不想知道！！！

而對(duì)于那些沒有罵小編的工程師，讓小編繼續(xù)跟你講解一下這個(gè)神器的厲害之處：

從上圖可以看出，只需要根據(jù)自己的BLE設(shè)備情況，輸入對(duì)應(yīng)的參數(shù)即可快速評(píng)估出來大概的通訊距離。

05

功耗

相較于其他的無線通訊技術(shù)，低功耗藍(lán)牙憑借極具競爭力的價(jià)格以及超低功耗的優(yōu)勢，占據(jù)了眾多的市場領(lǐng)域。然而，大部分人的眼光卻集中在了價(jià)格，往往忽略了BLE芯片的功耗；就算有部分人兼顧到功耗，卻也只是 關(guān)注峰值電流，其實(shí)這就是資本家厲害的地方，強(qiáng)行給用戶灌輸不會(huì)錯(cuò)也不完全對(duì)的概念 ，小編為什么會(huì)這么說呢？這里小編以歐美A，B廠商為例來佐證這一點(diǎn)

我們從上述的參數(shù)可知，僅從峰值電流來看的話，B廠商比A廠商的功耗優(yōu)秀，那這是不是意味著B廠商就比A廠商的功耗低呢？ 我們先不著急下結(jié)論，小編再讓大家看一組數(shù)據(jù)：

A廠商

B廠商

從上述的這組數(shù)據(jù)可知，A廠商此時(shí)又比B廠商的功耗低了，是不是上述的結(jié)論又反轉(zhuǎn)了？為什么這組數(shù)據(jù)會(huì)比上一組數(shù)據(jù)功耗高了？ 對(duì)于結(jié)論，我們?nèi)匀幌炔恢毕陆Y(jié)論，而對(duì)于功耗突然高了，這個(gè)小編先與大家掰扯掰扯：

之所以這組數(shù)據(jù)會(huì)比上組數(shù)據(jù)大，主要的區(qū)別是上組數(shù)據(jù)顯示的僅僅是Radio的功耗，而為了讓Radio工作起來，還需要芯片內(nèi)部其他元器件的配合，才能讓Radio真正地工作起來；換句話說，功耗較大的這組數(shù)據(jù)是讓一個(gè)Radio真正工作起來的功耗，并不是Radio單獨(dú)的功耗

但是，對(duì)于整個(gè)BLE芯片的功耗而言，在只考慮BLE工作事件的前提下，功耗的高低主要取決于CPU、Radio、晶體起振時(shí)間、睡眠時(shí)的電流，而且評(píng)估整體的功耗還需要考慮工作的時(shí)長，例如：

芯片Ａ完成一次廣播事件只需要5ms，而芯片Ｂ則僅需3ms；所以， 這個(gè)時(shí)候不能僅僅依靠峰值電流的大小來判斷一個(gè)芯片功耗的高低 ，此時(shí)功耗的大小取決于時(shí)間與電流的積分和

通過上述兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比，那么應(yīng)如何評(píng)估BLE芯片的功耗呢？ （BLE SoC的其他外設(shè)功耗可以直接從規(guī)格書獲取得到，這里不細(xì)表） 為了幫助讀者正確評(píng)估BLE芯片的功耗，這里以下述的參數(shù)為例：

• DC-DC模式，0dBm的發(fā)射功率，廣播數(shù)據(jù)長度為31字節(jié)
• 供電電壓為3.3V，廣播間隔為100ms，外部的低速晶體
• 可連接不可掃描非定向廣播，37、38、39三個(gè)廣播信道，64MHz主頻
• 64KB RAM全保持

這里小編仍然以歐美A，B廠商為例，在相同的條件下，它們之間的功耗表現(xiàn)：

A廠商

B廠商

從上述的數(shù)據(jù)可以看出，此條件下A廠商還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于B廠商，即使A廠商的Radio峰值電流大于B廠商。小編之所以兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，就是為了讓讀者們明白， 評(píng)估一個(gè)BLE SoC芯片的功耗并不能簡單地只看規(guī)格書上的Radio峰值電流值，它是一個(gè)系統(tǒng)的工程，涉及到CPU、Radio、晶體起振時(shí)間、睡眠時(shí)的電流等方方面面 ，希望看了這些內(nèi)容之后，以后讀者們對(duì)功耗的評(píng)估有一個(gè)更精準(zhǔn)的判斷。

06

驗(yàn)證

眾所周知，加入BLE隊(duì)伍的芯片廠商越來越多了，從更大的格局來看，這也表明BLE的市場是受到大家所認(rèn)可的，起碼在未來的很長時(shí)間內(nèi)，對(duì)BLE的人才需求還是很旺盛的，當(dāng)然前提要是真的是人才；但是，從小的格局來看的話，這反而會(huì)加劇擾亂用戶的判斷，這是因?yàn)殇佁焐w地的各個(gè)廠商的信息以及它們所說的性能一個(gè)比一個(gè)強(qiáng)悍：

• 一個(gè)方面，讓用戶覺得功能很強(qiáng)大，可以滿足項(xiàng)目的需求，但實(shí)際跑下去發(fā)現(xiàn)，與實(shí)際相關(guān)甚遠(yuǎn)，浪費(fèi)了大量的人力或者時(shí)間成本
• 另外一方面，用戶很容易會(huì)為自己不需要的功能而買單，導(dǎo)致成本上升

俗話說得好： “銷售的嘴，騙人的鬼” ，這里小編教大家一個(gè)方法，可以提前排雷，最后選擇自己最適合的芯片；對(duì)BLE有過了解的讀者，應(yīng)該都看到過下面的這幅框圖：

從上圖我們可以很清楚地看到，整個(gè)BLE就是由App、Host、Controller三大部分組成，其中App就是大家所寫的代碼，而BLE協(xié)議棧則由Host和Controller這兩部分組成，但是Controller層中的PHY層是純硬件相關(guān)的，而BLE協(xié)議棧是純軟件的，所以平時(shí)我們口中所說的BLE協(xié)議棧是不包括物理層的；有了這樣的一個(gè)概念之后，我們接下來再講講平時(shí)我們所說的藍(lán)牙規(guī)范 （截止目前為止，最新的是5.3版本），不同版本的規(guī)范，其所支持的特性均不一樣的:

• 有的對(duì)硬件有要求，需要升級(jí)PHY層，如2M PHY以及AoA/AoD
• 有的僅僅是對(duì)Host層的內(nèi)容進(jìn)行升級(jí)
• 有的僅僅升級(jí)了Controller層的內(nèi)容
• 有的新增的特性并不是強(qiáng)制的，也就是說不支持這個(gè)特性了可以認(rèn)為是支持該版本的規(guī)范

因此，當(dāng)某某廠商宣傳它支持某某版本或者某某功能的時(shí)候，為了辨認(rèn)真?zhèn)危抑恍枰P(guān)注以下三個(gè)點(diǎn)，接下來小編將以國內(nèi)某廠商的最新的一顆BLE IC為例一一講解：

物理層的特性

該廠商對(duì)外宣傳其是支持全功能BLE 5.0，所以以下的BLE 5.0硬件特性應(yīng)該是支持的：

• 2M PHY
• Coded PHY

從上圖可知，物理層的確支持2M & Coded PHY，而且5.1的CTE也確實(shí)不支持

Host層

從上圖可知，PHY層的切換也是支持的，其是BLE 5.0的一項(xiàng)新特性

Controller層

其中BLE 5.0的擴(kuò)展廣播則是軟件相關(guān)的，它屬于LL的內(nèi)容，如下所示：

從上圖可以看出，擴(kuò)展廣播也是支持的，而且其他的可選特性也支持非常多，基本全支持除了5.1的特性之外。

以上的內(nèi)容僅僅是舉例說明，告訴大家如何辨別廠商所說的 “功能” 是否存在，通過小編查閱，該芯片也的確是達(dá)到廠商所宣傳的全功能5.0的功能，但是未必所有廠商都是內(nèi)外一致的。