一 蓝牙低功耗(BLE)协议栈 之 PHY层

一 2.4GHz

物理层相对于软件工作者来说是最简单的一层，几乎不用关心，但是这一层却非常重要，直接体现出蓝牙芯片的好坏。

蓝牙工作在2.4GHz的频段，具体的频段范围是2400MHz到2483.5MHz，频段宽度为83.5MHz。BLE将这83.5MHz的宽度分成了0到39共40个通道，每一个通道宽度为2MHz。

各个通道的中心频率计算公式：
$$f_c=2402+2k$$

其中广播通道为37/38/39，对应的中心频率分别为2402MHz、2426MHz、2480MHz。BLE在广播的时候会轮流使用这3个通道进行广播。

从图中可以看出BLE的3个广播通道并不是连在一起的，从上图可以看出wifi使用的也是2.4G的频段，如果在有wifi信号的情况会对BLE的广播造成干扰从而导致不能有效的进行广播。所以BLE的设计者将三个广播通道设计成这样。

虽然广播通道的频段是不连续的，但是编号却是连续的。这样设计的目的是为了保证数据通道编号的连续性，跳频算法方便计算。跳频算法我将在后面的文章再做介绍。

二 发射功率和接收功率

RSSI（接收信号强度）Received Signal Strength Indicator

发射功率

2.4GHz ISM频段对无需授权的设备具有最大发射功率的限制。对于BLE规范规定最大发射功率为+10dBm，最小的发射功率为-20dBm。如果发射功率过小则不能被其他设备发现。

+10dBm的发射为10mW，-20dBm的发射功率仅为10μW。

接收灵敏度

接收机检测其他设备发出的无线信号有多灵敏称之为接收灵敏度。灵敏度通常以dBm为测量单位，这是一个非常小的单位。低功耗蓝牙规定接收机的灵敏度要高于-70dBm。换句话说，接收机接收到0.000 000 1mW的电磁能量时要能正常工作。但是，噪声总是存在的。如果不能对其正确解码，仅仅检测到信号是没有意义的。因此，实践中，接收灵敏度阀值要在一个可接受的误比特率(BER)条件下定义。低功耗蓝牙选择的误比特率为0.1%.

支持低功耗蓝牙的控制器，其接收机灵敏度可达到-90dBm，或者说1pW。这是另人难以置信的、从频段噪声中能检测到的少量能量，而这也导致了客观的通信距离。

功率P(单位mW)和信号强度SSI(单位dBm)的换算公式
其换算公式如下：
$$SSI=10\ast log10(P)$$

• 例如10mW的发射功率：
  $$SSI=10\ast log10(10)=10\ast 1=10dBm$$
• 例如0.000 000 1mW的接收灵敏度
  $$SSI=10\ast log10(10^{-7}))=10\ast (-7)=-70dBm$$

三 BLE调制原理

低功耗蓝牙采用了高斯频移键控。高斯滤波器通过增加从一个值到另一个值得频率转换时间，优化了一个符号到下一个符号的转换。如果没有高斯滤波器，频率转换会非常快，从而导致很大的噪声。高斯滤波器的引入，意味着从比特0到比特1的转换迅速而高效。

低功耗蓝牙的物理层比特率为1Mbit/s(或记为1Mbps),每个符号1bite。调制指数约为0.5，也就是说非常接近最优的最小频移键控。实际的调制指数可以在0.45 ~ 0.55之间，意味着低功耗蓝牙不是严格意义上的最小频移键控，但它具有最小频移键控的大多数特点，比如减少了边带发射功率，这意味着无需复杂的滤波器就能满足频谱监管的要求。

负频偏代表了比特0，正频偏代表了比特1.最小的频偏约为180KHz。也即是说，如果中心频率选取了2402MHz，比特0意味着传输2401.815MHz，比特1意味着传输2402.185MHz。

在传输报文的时候中心频率并不是严格的2402MHz,会受到一些因素的影响。比如晶振存在误差，或者存在频率漂移。

晶振的误差
由于晶振本身存在一定的误差，一个蓝牙芯片的频率是经过晶振倍频而来，所以晶振的误差也被放大。比如一个16MHz的晶振，需要放大150倍才能得到2400MHz的频率。如果晶振的实际频率为16.0001MHz，则中心频率将偏移150KHz，我们称这个晶振的误差为62ppm也就是百万分之62。通常晶振的误差越小价格就越昂贵，只要误差在我们容忍的范围之内就可以了。

由于晶振不精准导致的频率偏移就是通常所说的频偏。

频率漂移
漂移是指芯片在工作的时候由于芯片内部发热，导致频率轻微发生漂移，在BLE的报文发送过程中漂移不允许超过50kHz。