深入 BLE PHY 层——蓝牙 LE PHY 无线电的基础知识

低功耗蓝牙 PHY 层背后的基础知识

PHY 层是低功耗蓝牙等无线通信协议的关键部分（图 1）。

图 1.显示 PHY 层布局的示例协议栈。图片由Microchip提供

对于蓝牙设备，这一层是关于 LE 无线电发射器和接收器如何使用无线电信号发送和接收数字数据的。通常，PHY 层设置重要的规则和属性以确保设备能够有效通信。它涵盖的一些主要方面包括：

• 频带
• 高斯频移键控 (GFSK) 调制方案
• 传输速度
• 力量
• 接收灵敏度
• 时分

考虑到这些方面，让我们来看看个：频段。

BLE频段

Bluetooth LE 通信发生在免许可的 2.4 GHz ISM（工业、科学和医疗）频段内。该频段已分为 40 个通道，每个通道 2 MHz 宽（图 2）。

图 2.蓝牙 LR 通信的频谱。图片由Microchip提供

此外，其中 37 个通道专用于数据传输和二次广告，而其余三个用作主要广告通道，用于发现和启动设备之间的连接。

BLE 调制方案—GFSK

所有LE无线电发射器和接收器都使用GFSK调制方法通过无线电信号发送和接收数据。通常，GFSK通过根据传输的数字信息改变载波无线电信号频率来对数据进行编码。载波是具有特定频率的连续无线电信号，作为传输信息的基础。 

当需要发送数字“1”时，载波的频率增加，当需要发送数字“0”时，频率降低。这些频率变化称为频率偏差。在蓝牙 LE 中，此频移通常在 ±185 kHz 左右。

现在，让我们谈谈 GFSK 的高斯方面。当我们说“高斯”时，我们指的是高斯滤波器，它用于在编码过程中塑造和平滑频率的变化。如果没有高斯滤波，频移将是突然的，使信号更难准确传输和解码。高斯滤波器可以平滑这些突然的频率转换。更平滑的频率转换可减少信号失真，使通信更可靠，并有助于节省能源——这些都是设备之间低功耗无线通信的关键因素。

蓝牙 LE 传输速度、功率和接收器灵敏度

在 Bluetooth LE 的物理层中，传输速度以符号每秒而不是比特每秒来衡量。这是因为物理层关注的是发送和接收的实际无线电信号，而不是它们所代表的数字位。澄清一下，符号指的是模拟信号的单位，而比特代表数字信息的单位。

PHY 层还描述了 LE 无线电发射器允许的输出功率水平，它介于 0.01 和 100 mW（或 -20 和 +20 dBm）之间。但是，不同地区的监管机构可能有自己的要求，这些要求可能会取代 Bluetooth SIG 的规范。因此，实施者必须确保他们的设备符合适用于他们计划使用或销售其产品的地区的当地法规。

PHY 层定义的两个附加示例特性是接收器灵敏度和误码率 (BER)。接收器灵敏度衡量接收器可以有效解码的信号强度，而 BER 是指接收到的错误比特数与传输的总比特数之比。较低的 BER 表示更可靠和准确的通信链路，因为在传输过程中发生的错误更少。制造商通常将接收器灵敏度指定为实现特定 BER 所需的信号强度。通常，当传输包含 37 个八位字节或更少的数据包时，蓝牙规范允许 BER 为 0.1%。

换句话说，八位字节相当于 8 位。因此，包含 37 个八进制的数据包总共有 37 x 8 = 296 位。在 BER 为 0.1% 的情况下，此类数据包中允许的比特错误数将为 296 比特的 0.1%。这意味着每 3 到 4 个 37 个八位字节的数据包多有一位错误。

BLE 时分双工 (TDD)

所有蓝牙 LE 无线电都是半双工设备，这意味着它们可以传输或接收数据，但不能同时发送或接收数据。根据PHY层，LE无线电应使用时分双工（TDD）方案来模拟全双工系统的行为。在TDD中，设备在同一频段内快速切换发射和接收模式，每种模式使用单独的时隙。此技术允许设备之间持续的双向通信，同时仍作为半双工设备运行。 

上面提到的这些特性只是从蓝牙规范中获取的一些特性。要全面了解，请参阅 完整的蓝牙规范文档.

蓝牙 LE PHY 符号速率模式 — 1M 和 2M

蓝牙 LE 技术提供多种 PHY 无线电模式，每种模式都有其独特的优势和局限性。让我们仔细看看这些模式中的每一种。

1M - 概述和优势

1M PHY 模式是自蓝牙 LE （v4.0） 问世以来一直存在的标准蓝牙 LE 无线电模式。它以每秒 1 个兆符号 （Msym/s） 的符号速率运行，这意味着每个有效载荷位只需 1 μs 即可传输。

每个蓝牙 LE 设备都必须支持 1M PHY 模式，使其成为与不支持的 BLE 设备完全向后兼容的模式 蓝牙 5.它也被认为是比较其他PHY模式的基线。它在功耗和范围之间实现了良好的平衡，使其适用于大多数日常应用。连接两个蓝牙 LE 设备时，1M PHY 模式始终是默认起点。从那里，如果两个设备都支持其他模式，则对等方可以请求切换到更的模式以满足特定要求。 

以下是此模式的一些优点。

1M 模式的优点：

• 低功耗
• 与所有蓝牙 LE 设备兼容

2M — 概述、使用和优势

随蓝牙 5.0 一起引入的 2M PHY 模式提供的数据速率是 1M PHY 模式的两倍，工作速度为 2 Msym/s。这意味着每个有效载荷位只需0.5 μs即可传输。2M模式允许更快的数据传输，这可以降低主动无线电通信期间的功耗，特别是对于较长的数据传输，其中与协商切换到此模式相关的开销在整个通信中可以忽略不计。 

下面我们将概述一些常规用例和此模式的优势。

2M 模式的理想用例：

• 高吞吐量应用程序，如固件更新
• 大数据量应用，如缓冲传感器

2M模式的优点：

• 更快的数据传输
• 通信时间更短，降低功耗
• 提高频谱效率

BLE 5.0 反向纠错 PHY 模式：编码 S2 和编码 S8

蓝牙 5.0 中引入的编码 PHY 模式旨在扩展蓝牙 LE 通信的范围和鲁棒性。编码 PHY 模式使用前向纠错 （FEC） 来增强嘈杂环境中的链路可靠性。这种技术允许接收器检测和纠正接收数据中的错误，而无需请求重新传输。FEC 算法在传输之前将冗余位（称为“奇偶校验位”）添加到原始数据中。然后，接收器可以使用这些奇偶校验位来识别和纠正误差，直至达到一定限值。 

与 1M PHY 相比，编码 PHY 以降低吞吐量和增加功耗为代价提高了 BLE 的可靠性。编码 PHY 模式的两种变体编码为 S2 和编码 S8。S2 和 S8 之间的主要区别在于使用的编码方案。

下面我们将简要介绍每种编码方案。

编码 S2

在编码的 S2 中，数据有效负载使用两个符号进行编码，这意味着每位有效负载数据传输两个符号。换句话说，与1M PHY模式相比，数据速率减少了一半。这种编码方案提供了大约是 1M PHY 模式两倍范围的扩展范围，同时牺牲了一些数据吞吐量。

• 数据速率降低 2 倍（与 1M PHY 相比）
• 范围增加 2 倍
• 使用 2 符号编码，因此称为 S2
• 与 1M 和 2M PHY 相比，吞吐量更低

编码 S8

编码 S8 将 FEC 提升到另一个级别。它使用八符号编码方案，这意味着八个符号代表传输过程中有效载荷数据的每一位。与 1M PHY 模式相比，这种编码导致数据速率降低了八分之一。 S8 编码的优点是范围更大，大约是 1M PHY 模式范围的四倍（图 3），但代价是数据吞吐量显着降低。

图 3. S2 和 S8 编码的概述。图片由蓝牙提供 

• 数据速率降低 8 倍（与 1M PHY 相比）
• 射程增加 4 倍
• 使用比编码 S2 PHY 更强大的编码和纠错方案
• 使用 8 符号编码——因此被称为 S8
• PHY 模式中吞吐量

编码 PHY 模式的理想用例：

• 远程应用
• 工业自动化
• 智能家居

编码 PHY 模式的优点：

• 增加通信范围
• 提高嘈杂环境中的链路可靠性
• 抗干扰的鲁棒性

比较 PHY 符号额定和前向纠错模式

综上所述，表1显示了不同模式的细分和比较。

表 1. 1M、2M、编码 S2 和编码 S8 之间的比较。使用的数据由以下机构提供 蓝牙

研究人员测试PHY模式的性能声明

格拉茨理工大学的研究人员 进行了一项研究 评估 BLE 5 PHY 模式自 2016 年 6 月发布以来的实际性能. 

团队，由 迈克尔·斯波克，检查了 2M PHY 的性能，该 PHY 有望将吞吐量提高一倍，并编码 PHY（也称为蓝牙长距离），旨在提高通信可靠性。

实验是在空置的大学实验室进行的，使用 nRF52840 DK 来自北欧半导体的设备。该设置包括一个BLE客户端和所有四种PHY模式的外设，以测量不同配置中的功耗、吞吐量和可靠性。

正如预期的那样，2M PHY模式由于其快速的数据速率而产生了的平均功耗。然而，编码的 S8 PHY 表现出的功耗，主要是因为其编码方案的开销。与 1M PHY 模式相比，2M PHY 的功耗降低了约 8%，而编码的 S2 和 S8 PHY 的功耗分别增加了约 61% 和 70%。这些结果的细分如图 4 所示。

图4. 具有不同PDU长度和PHY模式的BLE从站的平均功耗，使用125 ms固定连接间隔。图片由 斯波克等.

在吞吐量方面，2M PHY 提供了的性能，实现了 1M PHY 模式吞吐量的 178% 到 212%，有效地使其容量翻了一番。相反，编码的 S8 PHY 表现出的吞吐量。

该研究还通过测量不同链路质量的数据包接收速率（PRR）来评估通信可靠性。2M PHY 具有的 PRR，而编码的 S2 和 S8 PHY 由于其编码方案而显著提高了链路质量差的可靠性。

，研究人员评估了四种PHY模式在Wi-Fi干扰下的鲁棒性。正如预期的那样，编码的 S8 PHY 模式提供了的 PRR 和可靠性。在 Wi-Fi 干扰下，编码的 S2 和 S8 PHY 几乎保持 100% PRR，而 2M PHY 在 5 mW 的 Wi-Fi 传输功率下仅管理 54% PRR（图 5）。

图5. 不同 PHY 模式在不同衰减水平下的数据包接收速率。图片由 斯波克等.

这些研究人员还发现了一些关于链接质量的有趣之处。PHY 模式的选择取决于连接质量。当连接稳定且干扰较低时，2M PHY 模式是化数据吞吐量和能效的选择。其更高的数据吞吐量可实现比其他 PHY 模式更快、更节能的通信。

但是，当连接质量较差时，数据包经常损坏。在这种情况下，编码的 S8 PHY 模式变得更加合适，因为它可以在不重新传输的情况下恢复大多数损坏的数据包，因此更节能。有趣的是，有一个小的过渡区域 - 在-10 dBm和-15 dBm衰减之间 - 其中1M PHY模式在功耗方面略优于其他PHY模式。