認識BLE 5協議棧 —— 物理層
轉自 http://www.sunyouqun.com/2017/04/understand-ble-5-stack-physical-layer/
1. 簡介
物理層（Physical Layer）是BLE協議棧最底層，它規定了BLE通訊的基礎射頻引數，包括訊號頻率、調製方案等。
BLE工作頻率是2.4GHz，它使用GFSK頻率調製，並使用跳頻機制來解決頻道擁擠問題。
BLE 5的物理層有三種實現方案，分別是1M Sym/s的無編碼物理層、2M Sym/s的無編碼物理層和1M Sym/s的編碼物理層。其中1M Sym/s的無編碼物理層與BLE v4系列協議的物理層相容，另外兩種物理層則分別擴充套件了通訊速率和通訊距離。
2. 頻段和跳頻
大多數無線通訊的頻段需要申請授權才可以使用，不同地區開闢了少量免授權頻段，只要產品滿足當地無線電規範，即可免授權使用。下圖展示了全球免授權的頻段及其分佈（連結）：
圖中2.4GHz的頻段很強勢，覆蓋了整個地圖，是專為工業（Industrial）、科學（Scientific）和醫學（Medical）三個機構使用，稱為ISM頻段。全球範圍都可以免授權使用ISM頻段。
BLE即工作在2.4GHz頻段。
2.4GHz頻段訊號有明顯的優缺點，優點是免費、技術成熟，缺點是頻段擁擠、訊號傳播特性差、遇水衰減。目前除了藍芽訊號外，WIFI、ZigBee、無線鍵盤、無線玩具甚至微波爐都工作在這個頻段，當一個空間內同時執行著多個無線裝置時，頻帶佔用情況如下圖（
其中綠色的脈衝為BLE訊號，紅色訊號分別是WIFI、微波爐和無線裝置，它們形成了干擾噪聲。
BLE工作在2.400GHz – 2.480GHz頻率區間，並將這個區間均勻分為40個頻道，相鄰頻道間隔2MHz。在不引起誤解的情況下，頻道也稱為通道，40個通道的頻率和分佈如下圖：
BLE使用跳頻技術來解決頻段擁擠問題，即令每次資料通訊發生在不同的通道上，假如某個通道擁擠，則避開該通道，選擇其他可用通道進行通訊。
一個簡單的跳頻演算法是：F(n+1) = [F(n) + hop] % 37，其中hop引數為物理層自己設定的跳頻引數。
實際中使用自適應跳頻演算法來更新通訊通道。
自適應跳頻的工作機制是，如果某個通道擁擠則做上標記，工作時維護一張通道表以記錄各通道的擁擠情況，並將擁擠通道對映到可用通道中，然後結合上述簡單跳頻演算法共同完成通道選擇。假如簡單跳頻演算法結果指向一個擁擠通道，則進一步跳轉到它對映的可用通道上，從而實現資料通訊總是工作在可用通道上。
3. 調製
3.1 調製方式
物理層定義了兩種調製方式。
一種方案採用高斯頻移鍵控GFSK，具有1MSym/s的符號速率。第二種方式是與第一種相似（Similar），但是具有2MSym/s的符號速率。
第一種方式又分成兩種型別：
- LE 1M Uncoded PHY。該方式的位元率為1Mb/s，它是BLE v4版本協議保持相容。
- LE 1M Coded PHY。該方式對報文進行編碼，使接收端收到的報文具有前向糾正的能力，在相同誤位元速率條件下，能夠顯著降低誤碼重傳次數，從而提高通訊速率。 如果採用8符號編碼，位元率為125kb/s，如果採用2符號編碼，位元率為500kb/s。
LE 1M Uncoded PHY是BLE協議強制要求實現的物理層，而LE 1M Coded PHY則是可選方案。
這兩種實現方式符號速率都是1MSym/s。
符號速率中的“符號”是指單次取樣所得到的資訊，這個資訊可能包含多個位元，也可能多個資訊等效於一個位元。比如一個電壓幅度調製系統中，用+5V表示11b， +2V表示10b， -2V表示01b， -5V表示00b，那麼取樣一次電壓可以獲得兩個位元資訊，此時位元率是符號速率的兩倍。在LE 1M Coded PHY機制中，用8個符號表示1個位元，此時位元率是符號速率的1/8。
第二種物理層實現方式為：
- LE 2M Uncoded PHY。該方案的位元率為2Mb/s，是可選的實現方式。
官方文件使用LE 1M PHY、LE Coded PHY、LE 2M PHY來表示以上三種不同的物理層實現方式：
| 物理層 | 調製方式 | 編碼方案 （報頭部分） |
編碼方案 （有效載荷） |
位元率 |
|---|---|---|---|---|
| LE 1M PHY | 1Msym/s 方式 | 無編碼 | 無編碼 | 1Mb/s |
| LE 2M PHY | 2Msym/s 方式 | 無編碼 | 無編碼 | 2Mb/s |
| LE Coded PHY | 1Msym/s 方式 | 編碼S=8 | 編碼S=8;
編碼S=2 |
125kb/s;
500kb/s |
表中的S=8表示8個符號編碼成1個位元。
3.2 GFSK
頻率調製是將低頻資料訊號載入到高頻載波上，資料的變化反映為調製波頻率的疏密變化，如下圖所示：
數字化的訊號僅有0、1變化，在調製時，可以定義載波頻率正向偏移視為1，負向偏移視為0。這種調製方式稱為“頻移鍵控（FSK）”。數字訊號發生0/1變換時，會產生大量噪聲，引入高斯濾波器能夠延展0/1變換時間，從而降低噪聲。這種做法稱為“高斯頻移鍵控（GFSK）”。
GFSK技術成熟，實現簡單，適合低功耗BLE的需求。
BLE協議規定，中心頻率正向偏移大於等於185kHz視為位元1， 負向偏移大於等於185kHz視為位元0。如果選擇2402MHz作為中心頻率，位元1的頻率應為2402.185MHz， 位元0的頻率應為2401.815MHz。
4. 發射機
4.1 發射機框圖
圖中訊號從左向右流動，基帶訊號經過GFSK調製分成同相（I訊號）和正交（Q訊號）兩路訊號，再依次經過DA轉換和低通濾波器，然後利用頻率合成器進行頻率上轉換，再將兩個訊號分量合成後通過PA放大將訊號推送到天線上。
I/Q相位分量並行操作用以抑制映象頻率，PLL驅動的頻率合成器可以產生穩定和精確的頻率訊號，其他的濾波和變換則比較容易理解。（連結）
4.2 發射機引數
（1）發射功率
| 最小輸出功率 | 最大輸出功率 |
|---|---|
| 0.01mW (-20dBm) | 100mW (+20dBm) |
當兩個裝置首次連線時，應該避免將輸出功率調至最大，這可能導致對端裝置的接收器瞬間飽和，造成通訊失敗。
BLE協議按照輸出功率將BLE裝置分成如下幾類：
| 功率等級 | 最大輸出功率 | 最小輸出功率 |
|---|---|---|
| 1 | 100mW (+20dBm) | 10mW (+10dBm) |
| 1.5 | 10mW (+10dBm) | 0.01mW (-20dBm) |
| 2 | 2.5mW (+4dBm) | 0.01mW (-20dBm) |
| 3 | 1mW (0dBm) | 0.01mW (-20dBm) |
第一等級值得注意，如果裝置最大輸出功率為+20dBm，那麼最小功率等於+10dBm。
（2）調製引數
調製方式：GFSK
頻寬時間積BT：0.5
調製因子：0.45-0.55
有效頻率偏移為：±185kHz
時鐘精度：±50ppm
（3）雜散波
使用某個頻率發射隨機資料，在相鄰±2MHz的頻點位置，雜散波功率應小於-20dBm，在相鄰±3MHz以上的頻點位置，雜散波功率應小於-30dBm。
（4）射頻容限
中心頻率偏移小於等於±150kHz。
最大頻率漂移小於等於±50kHz。
最大頻率漂移速率小於等於400Hz/us。
由於射頻頻率穩定性跟晶振有直接關聯，所以頻偏引數限定了外部射頻晶振的誤差值。
舉個例子，使用16MHz的外部石英晶振為射頻提供時鐘，16MHz擴頻到2.4GHz需要放大150倍，其誤差也將一同放大150倍。假如它的誤差為±50ppm，即16MHz × ±50ppm = ±800Hz，放大150倍後變成±120kHz，這幾乎達到±150kHz的頻偏限制，因此許多晶片都限制射頻晶振的誤差要小於50ppm。
假如使用24MHz的晶振，擴頻倍數降低，那麼相同的誤差等級的晶振，將獲得更優良的射頻頻偏引數。（不過16MHz的晶體更便宜和常用。）
5. 接收機
5.1 接收機框圖
接收過程是發射過程的逆過程，但相比於發射機而言更加複雜，相關研究文獻也更加豐富。
這篇專案報告（連結）詳細論述了藍芽接收機的解調器，擷取其中的接收機架構框圖如下：
藍芽訊號進入到晶片內部，首先經過低噪聲放大器（LNA），仍然是分成I/Q兩個相位分量，再通過帶通濾波器，使用VGA（Variable Gain Amplifier）進行放大，最後轉成數字訊號傳入處理器中，這裡框圖省略了GFSK的解調過程，它位於AD轉換器之後。
5.2 接收機引數
（1）誤位元速率
BLE通訊過程，可能因為外部干擾而導致資料傳送失敗，使用誤位元速率BER（Bit Error Rate）表徵位元傳輸失敗的機率。
誤位元速率過高會影響通訊速率，BLE協議要求傳輸小型報文時，誤位元速率要低於0.1%。這也是BLE裝置RF效能測試的一個標準。
BLE協議規定了傳輸不同長度報文的誤位元速率的閾值：
| 最大支援的Payload長度 | BER閾值（%） |
|---|---|
| ≤ 37 | 0.1 |
| 38 ~ 63 | 0.064 |
| 64 ~ 127 | 0.034 |
| ≥ 128 | 0.017 |
（2）接收靈敏度
BLE協議對於編碼型和非編碼型物理層給出了不同的接收靈敏度要求：
| 物理層型別 | 接收靈敏度（dBm） |
|---|---|
| LE Uncoded PHY | ≤ -70 |
| LE Coded PHY with S=2 coding | ≤ -75 |
| LE Coded PHY with S=8 coding | ≤ -82 |
市面上的BLE晶片大多都宣稱達到-90dBm甚至更低的接收靈敏度，某BLE 5的晶片其接收靈敏度甚至高達-97dBm。
在理想的條件下，假設發射機輸出功率是0dBm，接收機靈敏度是-90dBm，發射機輸出訊號經過一段路徑到達接收機，功率衰減到-90dBm，意味著這段路徑上的路徑損耗等於90dB。如果輸出功率是20dBm，當衰減至-90dBm時，路徑損耗就是110dB。
路徑損耗與通訊距離有如下相關性：
path loss = 40 + 25 × log(distance)
做成表格將更加直觀：
| 路徑損耗(path loss) | 通訊距離(distance) |
|---|---|
| 50dB | 2.5m |
| 60dB | 6.3m |
| 70dB | 16m |
| 80dB | 40m |
| 90dB | 100m |
| 100dB | 250m |
| 110dB | 630m |
如果通訊距離為630m，通訊系統需要能夠承受110dB的路徑損耗。
當發射功率為預設0dBm，接收靈敏度為BLE協議規定的最小值-70dBm，那麼可實現的最大距離為16m，這也是許多文件認為BLE是一個10米範圍的通訊技術的原因。考慮到大多數BLE晶片的接收靈敏度都優於-90dBm，實際通訊距離應大於10米。
BLE 5的推出，極大提升了通訊距離的潛力，各晶片廠商正努力提升通訊距離。最近Nordic和TI針對自家BLE 5晶片做了實際測試，在良好的環境下通訊距離超過1000米，令人吃驚。
（3） 抗干擾能力
一個接收機的同頻道噪聲抵抗能力為21dB，相鄰的1MHz頻點處的噪聲抵抗能力為15dB。
1M PHY與2M PHY的要求略有不同。
對帶外（2.4GHz範圍外的頻段）噪聲，也應有相應的抵抗能力。
（4）最大有效功率
接收機至少在-10dBm下能夠正常工作，保證BER優於0.1%。
6. 收發機
前面介紹了發射機和接收機，在實際的BLE晶片中，接收機和發射機放在同一個電路中，稱為收發機（Transceiver），下圖是一個2.4GHz產品框圖，有實際的參考價值（連結）：
