蓝牙学习之物理层规范

参考：BLE低功耗蓝牙技术开发指南__金纯等、低功耗蓝牙开发权威指南、

注：文章含有自己的主观理解，如有错误，欢迎批评指正。

BLE主要工作在2.4GHz ISM（Industrial Scientific Medical）频段，该频段所有国际都无需授权。该频段非常拥挤，噪声很多，BLE沿用经典蓝牙的自适应调频技术，可以迅速确定干扰源，并灵活规避。

物理层协议位于协议栈的最底层，主要解决空中数据收发。包括发射机和接收机。

1 发射机特性

1.1发射功率

发射功率（输出功率）是在设备天线连接器（IPEX或SMA接口）处测得的，2.4GHz ISM频段对BLE限制：最大发射功率+10dBm（10mW），最小-20dBm(10uW)。一般可使用频谱仪测试。这里介绍使用SmartRF Studio 和频偏仪测量CC2640R2F发射功率（参见 TI 手册 CC13xx_CC26xx Hardware Configuration and PCB Design__Considerations 12章）。测试步骤如下：

1. 断开天线并在SMA连接器处进行测量或在Ω点50处焊接半刚性同轴电缆。并连接到频谱仪RF input 口。

2. SmartRF Studio软件设置

    注：这里手册未交代清具体测试细节。我分别使用RTSA和GPSA模式进行测量。测试应该是未调制的单频连续波(CW)。测试结果如下：

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    RTSA模式
    unmodulated ：-1.17dBm；modulated：-3dBm（因为是调制信号，不稳定）
    GPSA模式（RBW:1MHz;VBW：1MHz）
    unmodulated ：-2.56dBm；modulated：-3dBm（因为是调制信号，不稳定）

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1.2 射频容限

对于BLE,整个报文的中心频率容限是±150kHz。一个报文发送的频率漂移应小于50kHz。由于2.4GHz是通过晶振倍频得到的，晶振的偏差会导致2.4GHz的偏差。所以晶振参数选择以及layout对射频信号影响很大（参见TI Crystal Oscillator and Crystal Selection for the CC26xx and CC13xx Family of Wireless MCUs）。晶振参数主要有频率误差（单位：ppm，主要包括生产公差，温度公差、老化效应）、负载电容（CL，主要包括接地的负载电容、布局和引脚的杂散电容）、等效串联电阻（ESR）。cc2640R2F的24MHz晶振要求频率误差小于±40ppm。即24*40=960Hz。CC2640R2F可以通过SmartRF Studio修改电容阵列进行频偏调试，使频偏小于50kHz，频率在频谱仪上看，操作与1.1发射功率测量类似。见上图。（建议使用RTSA模式）这里，我使用海德的7D024000H01晶振，调制频偏为5381Hz。

2 接收机特性

2.1 接收机灵敏度

接收机灵敏度：接收灵敏度定义为在保证达到所要求的误码率的条件下，接收机所需要的最小输入光功率。接收灵敏度越大，说明接收机的接收性能越差。单位：dBm

接收机检测其他设备发出的无线信号有多灵敏。例如，BLE规定接收机灵敏度要低于-70dBm，也就是接收机接收到0.000 000 1mW的电磁能力时要能正常工作。接收机灵敏度阈值要在一个可以接受的误比特率（BER）条件下定义，BLE选择的BER为0.1%。

2.2 通信距离

为了计算BLE通信距离，需要确定系统的链路预算。链路预算由发射机芯片到接收机芯片之间消耗能量的各个部分组成。其中包括天线、匹配电路的增益和损耗。假设天线阻抗匹配，链路预算主要来源是路径损耗。路径损耗是指从发射机天线到接收机天线的能量消耗。

式1 给出路径损耗与距离的关系，改式只是近似关系，忽略了发射/接收系统的所有损耗，且只适用于全向天线。

path loss = 40 + 20log(d)  ，式中d表示距离（m）。

如果发射功率是0dBm，接收机灵敏度为-80dBm，则允许路径损耗为80dB，对应40m的通信距离。