BLE协议栈 – 物理层（Physical Layer）

BLE物理层解决了最基础的通信问题，比如调制解调、信号放大与滤波等。在实际使用中，几乎不会关注物理层的情况，但是在BLE产品测试阶段，要测试频偏，信号强度等项目，只有对物理机制有所了解，才能理解测试项目的目的。

调制

通信领域，有模拟调制和数字调制，BLE使用数字调制。数字调制也分为幅值调制和频率调制，BLE使用频率调制，该技术名称叫：频移键控（Frequency Shift Keying, FSK），通过改变载波的频率，来表征比特信息。如果调制波的频率高于载波频率，则表示比特1，如果低于，则表示比特0。调制前先将信号通过高斯滤波器做滤波，可以减少带外辐射，收窄信号带宽，从而增加信道容量。对滤波后的信号做FSK调制，这种方式叫高斯频移键控（Guassian Frequency Shift Keying, GFSK），也就是BLE所采用的调制方式。调制波与载波频率之差称为频偏。显然正频偏表示比特1，负频偏表示比特0。BLE技术中，频偏大约为180KHz，才能被准确检测出来。比如，对于中心频率为2402MHz信号，比特1的信号频率约为(2402 + 0.18)MHz，比特0约为(2402 – 0.18)MHz。在BLE中，中心频率为2402MHz的通信频段称为一个信道。

信道

BLE有40个物理信道，均匀分布在2402MHz， 2404MHz， … 2480MHz。

这40个信道中，37、38、39三个信道用于发送广播信息，如上图中橘色信道，其他37个信道发送数据信息。BLE在连接时，会在这些数据信道中循环跳动，叫”跳频“。比如每次连接事件使用某个数据信道，下一次连接事件则会跳到另一个信道中去。

跳频有一定的算法，比如f(n+1) = (f(n) + hop) % 37。hop是一个跳频参数，假如hop = 10，本次使用信道0，那么下一次就使用(0 + 10) % 37 = 10，即信道10。为什么要这么复杂，在不同频率间跳来跳去呢？因为BLE使用的是免费的2.4G ISM（Industrial Scientific Medical）频段。wifi也使用这个频段，可想这个频段非常拥挤，假如wifi信号浓密，BLE信号就会受到干扰。BLE跳频技术，会记录每个信道是否拥挤，假如拥挤则标记为坏道，跳频时候避开该信道，等空闲下来，再移除坏道标记。这样BLE通信就总是能够在相对良好的频段内进行。

其中绿色的脉冲为BLE信号，红色信号分别是WIFI、微波炉和无线设备，它们形成了干扰噪声。

精度

BLE芯片外置的24MHz的晶振，是射频信号的时钟源。为了保证信号频率的精度，要求晶振的精度一定要高。
晶振的精度到底要多高才能满足使用？
对于BLE的信道，中心频率的容限是±150kHz，举个例子，使用16MHz的外部石英晶振为射频提供时钟，16MHz扩频到2.4GHz需要放大150倍，其误差也将一同放大150倍。假如它的误差为±50ppm，即16MHz × ±50ppm = ±800Hz，放大150倍后变成±120kHz，这几乎达到±150kHz的频偏限制，因此许多芯片都限制射频晶振的误差要小于50ppm。

假如使用24MHz的晶振，扩频倍数降低，那么相同的误差等级的晶振，将获得更优良的射频频偏参数。（不过16MHz的晶体更便宜和常用）可以推测，使用不同晶振频率，其精度要求也会发生变化。
当获得足够精准的信号频率，还需要足够灵敏的接收机，才能将比特0与比特1区分开来。接收机灵敏度使用dBm来表示，目前市面上各家的BLE芯片，接收灵敏度大约在-90dBm ~ -95dBm之间。由于距离越远，信号越弱，即接收机的灵敏度越强，则能达到的通信距离越远。

信号的强度取决于发射机的输出功率。输出功率越大越好，但是考虑无线电产品要通过FCC等认证，无线信号输出功率不能太大。通常BLE芯片的默认输出功率为0dBm，即1mW。不同厂家的芯片可以支持更高的发射功率，比如3dBm、8dBm等。射频信号一旦脱离发射机，就要面临穿越空气而造成的损耗。接收机可以获得信号的能量损耗值（RSSI）

路径损耗与通信距离有如下相关性：

path loss = 40 + 25 × log(distance)

于是，可以利用RSSI来反向获得距离信息，这个是BLE做室内定位的理论基础。
但是RSSI极易受到干扰，因此需要获取多个RSSI数据，并利用分析算法，甄别出实际的路径损耗。

 

[本文转自红旭论坛，看完之后获益良多，故联系大佬Wireless-tech转之。]