Nordic Nrf52840芯片為例看無(wú)線(xiàn)電傳輸和距離相關(guān)的兩大關(guān)鍵因數

首先想說(shuō)的是，在這個(gè)夜晚，Merry Chrismas Eve, buddies and sisters，感謝大家捧場(chǎng)關(guān)注，也感謝大家花片刻時(shí)間來(lái)閱讀我的碎語(yǔ)。

一年又到年終時(shí)，回顧今年，是否感慨沒(méi)有好好為家人做一餐晚餐，是否在感慨一抬頭已經(jīng)年關(guān)而一事無(wú)成，是否做了很多項目依然生活拮據看不到希望....人會(huì )迷茫，而迷茫的時(shí)候容易輕視自己，我也沒(méi)什么良藥治愈，唯有堅持。技術(shù)的路是一條苦路...我想在每一周的文章分享一句名言，激勵自己寫(xiě)更好的文章。 我不鼓勵996加班加點(diǎn)趕項目趕工程，除了工作，我們需要生活。騰出空，去生活，去思考。

第一言 是高中語(yǔ)文老師第一次上課寫(xiě)在黑板上，背誦了好多年 愕然回首 感同身受.

有志者、事竟成,破釜沉舟,百二秦關(guān)終屬楚; 苦心人、天不負,臥薪嘗膽,三千越甲可吞吳.

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上周寫(xiě)了藍牙52X 數據吞吐量，這周聊聊藍牙5重要的4X 遠距離的原理。

我們先談一談無(wú)線(xiàn)電傳輸和距離相關(guān)的兩大關(guān)鍵因數(因數不只兩個(gè)，這個(gè)定性分析兩個(gè)和我們息息相關(guān)的):

一. 鏈結預算Link Budget

在部署無(wú)線(xiàn)電通信時(shí)，鏈路預算(Link Budget)就是指從發(fā)射機開(kāi)始通過(guò)射頻媒介直到接收機之間的所有增益和衰減的總和。鏈路預算計算的目的是確保最終的接收信號強度處于接收機的接收靈敏閾值之上。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，鏈路預算越大，發(fā)送端和接收端的距離越遠。

Link budget[dB]= TX Power[dBm]- Sensitivity level[dBm]

舉例說(shuō)明:

以TI CC2640R2F芯片為例，最大TX Power 5dbm, 最大接收靈敏度 -97dBm,根據上述公式，5 dBm - (-97 dBm) =102 dB。

以Nordic Nrf52840芯片為例，最大TX Power 8dbm, 最大接收靈敏度 -96dBm,根據上述公式，8dBm - (-96 dBm) =104 dB。

結論:

鏈結預算值越大，傳輸距離越遠。

二. 無(wú)線(xiàn)電傳輸損耗

1.自由空間損耗

顧名思義，即為無(wú)線(xiàn)信號在空氣中傳播的損耗，可以由以下公式得到

F為頻率，單位為G hz,D為發(fā)射端與接收端距離，單位為千米。由該公式可知路損的相關(guān)因素分為以下兩個(gè):

1).發(fā)射天線(xiàn)與接收天線(xiàn)間的距離。

2).頻率， 頻率越高路損越大。

2.現實(shí)中無(wú)線(xiàn)電對地平面損失

自由空間損耗是理想狀態(tài)下無(wú)線(xiàn)電的損耗，實(shí)現當中還有兩個(gè)考慮的因數，第一，天線(xiàn)損耗；第二，地表對無(wú)線(xiàn)的吸收和反射。

在考慮天線(xiàn)損耗和地表對無(wú)線(xiàn)的吸收和反射，我們可以概括得出下列公式。

h1和h2為發(fā)射端和接收端對地距離，k為自由空間波數，r是發(fā)射端和接收端的天線(xiàn)。

繪制自由空間損耗和地平面損失和距離關(guān)系的圖如下所示：

在外界條件一致的情況下可以簡(jiǎn)化得到下面非常有意義的公式：

該公式的結論如下：

無(wú)線(xiàn)電傳輸距離和發(fā)射端，接收端對地距離成正比，距離地面越高，傳輸越遠。

講完和距離相關(guān)的兩大因數，回到正題：

藍牙5特性二【4X 遠距離】

在4.2及以前的版本中藍牙低功耗在信道傳輸中未使用糾錯編碼技術(shù)，標準規定的基準靈敏度為-70dBm(基本上每一家藍牙芯片廠(chǎng)商都可以做到-90dBm)。藍牙5引入了卷積前向糾錯編碼(Convolutional Forward Error Correction Coding)技術(shù)，提高了接收機的抗干擾能力，將接收機的參考靈敏度分別提高到-75dBm (S=2編碼)和-82dBm (S=4編碼),同時(shí)提高了接收機的載干比(載干比：C/I=載波信號強度/干擾信號強度)性能。使得在保持TX相同功耗情況下，藍牙的距離提升了4倍，下面來(lái)說(shuō)說(shuō)如何做到提高接收靈敏度,依靠的就是編碼PHY。

BLE編碼PHY

藍牙5除硬件支持1M,2M PHY，還支持兩種編碼方式的PHY，這兩種編碼方式的PHY是基于1M PHY的基礎，使用1M PHY的物理通道。新的編碼分為兩種，一種編碼PHY為500kbps(S=2)，另外一種編碼PHY是125kbps(S=8)。

編碼PHY的數據包類(lèi)型和1M PHY/2M PHY 數據包類(lèi)型略有不同，增加了CI(coding indicator)和TERM1和TERM2。CI和TERMx構成了FEC(Forward Error Correction)區塊，利用FEC恢復在傳輸過(guò)程中的錯誤數據位，以提升接收靈敏度。

經(jīng)過(guò)S=2或者S=8的編碼，接收靈敏度可以提升4-6dBm，距離相應提升2-4被。但是進(jìn)化出一種新的能力必然會(huì )犧牲自己一項能力，和1M PHY相比，傳輸的距離提升了，但傳輸相同數據包，編碼PHY的功耗比1M PHY就要高出一節 (BLE 規定的包長(cháng)一致，部分payload變?yōu)镕EC data，實(shí)際有效的傳輸數據減少)。

數據流傳遞方式:

1M/2M PHY

在沒(méi)有編碼方式下，TX數據包數據bit流通過(guò)加密(可選項)，CRC效驗，白化之后發(fā)送出去；RX端接收到數據流解調后校驗CRC，解密，得到原始數據包數據。

500kbps,125kbps 編碼PHY

相對 1M/2M 未編碼PHY的數據流，500k PHY, 125K phy多出兩個(gè)部分：FEC(前向錯誤糾錯) 編碼和模式映射，大家肯定要問(wèn)如何實(shí)現FEC，我們以編碼PHY的流程來(lái)完整講述一下數據流的編碼和傳輸過(guò)程。

錯誤檢驗 — CRC效驗錯誤

接收機首先會(huì )檢測接收到的Access Adrees是否正確，如果Access Adrees錯誤，丟棄該數據包，檢測完Access Adrees，接收機會(huì )去效驗整個(gè)數據包，判斷24位CRC是否完全吻合。

白化

數據白化的目的是在傳輸數據遇到連續000000，或者連續111111序列時(shí)，進(jìn)行合理編碼，減少傳輸長(cháng)串重復序列數據。

編碼 — 前向錯誤編碼

前向錯誤編碼算法使得接收機有能比恢復該數據包中的傳輸錯誤數據位，通過(guò)把原始數據進(jìn)行編碼得到新的數據流，即使新的數據流在傳輸過(guò)程中有個(gè)別位數據錯誤，FEC解碼也能恢復原始數據，從而提高了傳輸的誤碼率。BT5.0使用的如下編碼算法:

G0(a0)先進(jìn)行傳輸，G1(a1)在G0傳輸完成之后傳輸。

模式映射 — Pattern Mapper

模式映射的目的是整理輸出前向錯誤編碼數據，輸出的方式分為兩種模式(P symbols)，一種P=1(S=2)，一種P=4(S=8)，兩種模式下把前向錯誤編碼數據進(jìn)行加工，然后輸出。由下面的表格所示，當P=1時(shí)，輸出的data和輸入保持不變，1位輸入，1為輸出；當P=4時(shí)，編碼為4位再輸出，所以可以看到P=4(S=8)時(shí)，輸出的data數據量會(huì )更多，更進(jìn)一部壓縮實(shí)際可以傳輸的有效payload數據。

得益于前向錯誤編碼和模式映射，使得藍牙數據在傳輸過(guò)程中，RX端對整個(gè)payload數據包解碼糾錯能力有不同提升(簡(jiǎn)單說(shuō)即為提高RX端接收靈敏度)，藍牙5的傳輸距離才有顯著(zhù)的提升。125kbps使用S=8模式，傳輸距離相對傳統BLE提升4倍，相應犧牲的數據傳輸率最多，500kbps使用S=2模式，傳輸距離相對傳統BLE提升2倍。長(cháng)距離模式可以有效可以支持到400-500米范圍內BLE通訊，是不是很厲害呢~

以上就是為什么藍牙5可以做遠距離傳輸，遠距離傳輸將會(huì )無(wú)人機，遙控賽車(chē)，競技手柄，工業(yè)自動(dòng)化需要200-500范圍內的數據傳輸提供強有力的技術(shù)支持，目前可以支持藍牙5遠距離的芯片有Nordic 52840,TI CC2640R2F, SilconlabEFR32 Blue Gecko，但是可惜的是目前沒(méi)有一部手機支持遠距離，what a pity...