藍牙BLE技術暨PHY層降功耗的方法

BLE整體框架

和絕大部分通訊芯片一樣，BLE整體框架也是由軟（協議）+硬（硬體）兩部分組成。本文所涵蓋內容將涉及軟硬件實現的各個部分。

PHY/信道調制

射頻物理層進行了低功耗的優化設計，使得在發射和接收時的峰值電流與傳統藍牙相比，大大降低。

調制方式傳統藍牙和低功耗藍牙都使用高斯頻移鍵控（GFSK）調制。但是低功耗藍牙使用的調制系數為0.5 （接近高斯最小頻移鍵控GMSK 方案，增加這個系數可以濾除更多數字信號的高頻從而降低調制信號的帶寬，功放效率也會提高），而傳統藍牙技術的調制系數為0.35 。這種調制方式的變化有利于降低功耗和提高BLE 的通信距離。

當原始數字信號在經過FSK調變送出前，加上一個高斯低通濾波器來限制調變后的信號頻譜寬度，使得在通訊上能限制頻譜寬度的傳輸以及功率的消耗。

GFSK高斯頻移鍵控調制是把輸入數據經高斯低通濾波器預調制濾波后，再進行FSK調制的數字調制方式。它在保持恒定幅度的同時,能夠通過改變高斯低通濾波器的3dB帶寬對已調信號的頻譜進行控制，具有恒幅包絡、功率譜集中、頻譜較窄等無線通信系統所希望的特性。

調制指數與FSK調制互相關的關系曲線

PHY/檢錯糾錯

與藍牙4相比，藍牙5的LE Coded物理層可以將通信距離擴大到四倍左右，而且不需要增加傳輸功率，從而降低功耗。

路徑損耗是發射機天線到接收機天線的能量消耗。路徑損耗與距離的計算公式path loss = 40 + 25log(d)——d表示發射機和接收機的距離

通訊距離與路徑損耗的關系

通訊距離

通常增加傳輸距離的方法是加大發射功率。在不增加發射功率的情況下增加藍牙的通信距離這個目標，就是如何增加接受器的靈敏度，從而在更遠距離，更低信噪比的情況下依然可以達到誤比特率的要求，正確解碼數據，從而增大傳輸距離。

錯誤處理

在通信系統中，主要通過兩種方法來進行錯誤處理。一個是錯誤檢測，第二個是錯誤糾正。

錯誤檢測

藍牙中使用了循環冗余校驗（CRC）技術。所有的數據包都有一個24位的CRC值，由發射器進行計算，并附加到數據包中。接收器重新計算CRC，并將計算值與數據包中的的CRC值進行比較。如果它們不相同，就說明傳輸出現了錯誤。

錯誤糾正

如果我們不使用任何形式的錯誤校正方法，距離信源越遠，傳輸的數據誤比特率（BER）就會越大。使用FEC方法，可以在通訊過程中降低BER，這樣通信的有效范圍就會增加。

操作方法

啟用物理層FEC功能，設置S=2或S=8

優化效果

傳輸距離增加2倍、4倍，而無需增加發送電流

使用LE編碼時的數據包結構

以通訊距離從2.5米擴展至5.0米為例

1.采用FEC編碼S=2，因為數據率下降通訊時間延長為2倍，整體功耗變為2倍。

2.采用增加發射功率的方法，平均電流變為5倍，整體功耗變為5倍。

采用FEC編碼，可以節省60%功耗

PHY/信道縮減

傳統藍牙設備的待機耗電量大是公認的缺點之一，這與傳統藍牙技術采用 16～32 個頻道進行廣播有關，低功耗藍牙使用 3 個廣播通道，這個改變顯然大大降低了廣播數據導致的功耗。此處受益最大的是監聽設備，因為其不用在32個信道上進行監聽。

同時每次廣播時射頻的開啟時間也有傳統的22.5ms減少到0.6~1.2ms

操作方法

在實際使用過程中，可以通過在收發雙方 “指定廣播信道（例如37信道）”的方式，降低廣播的功耗。

增加廣播間隔，降低設備的平均電流。

以上是PHY層的降功耗方法。