藍(lán)牙5.0在低功耗標(biāo)準(zhǔn)中新增了兩種模式

藍(lán)牙(Bluetooth)5.0在低功耗(LE)方案中增加了速度和靈活性，其數(shù)據(jù)傳輸量是4.2版的兩倍，最大突發(fā)速率從1Mb/s一舉提升到2Mb/s。為提高通用性，現(xiàn)在可以降低帶寬使距離提高至原來(lái)的4倍，同時(shí)保持類(lèi)似的功率要求。由于設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù)的距離提高至4倍，家庭自動(dòng)化和信息安全產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可望覆蓋整個(gè)家、整棟樓或整個(gè)小區(qū)。不過(guò)，藍(lán)牙5.0功能增加的同時(shí)，也帶來(lái)了新的測(cè)試需求，特別是在物理層(PHY Layer)。

藍(lán)牙5.0更高效地利用日益擁擠的2.4GHz頻段中的廣播信道，完成任務(wù)所需的廣播時(shí)間更少。由于改善了廣播通道，開(kāi)發(fā)人員可以創(chuàng)建基于體驗(yàn)的應(yīng)用，在物理世界和虛擬世界之間搭起一座橋梁。

據(jù)藍(lán)牙SIG發(fā)布的數(shù)據(jù)，藍(lán)牙5.0將提供廣播傳輸增加多得多的容量。這意味著它可以把更多的信息傳送到其他兼容設(shè)備，而不會(huì)形成實(shí)際連接，從而加快互動(dòng)速度。它擴(kuò)展了廣播，把廣播數(shù)據(jù)從三種傳統(tǒng)廣播信道卸除到全套數(shù)據(jù)信道，以實(shí)現(xiàn)更多的頻率分集，如圖1所示。較大的255字節(jié)數(shù)據(jù)封包實(shí)現(xiàn)了新的閾值功能，如資產(chǎn)追蹤，同時(shí)能夠向下兼容利用之前藍(lán)牙規(guī)范開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。

圖1 在2.4GHz頻段中，藍(lán)牙5.0的廣播信道落在Wi-Fi信道之間。

并不是每個(gè)應(yīng)用都要求相同的距離、速度或廣播功能，藍(lán)牙5.0讓產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員能夠?qū)ψ约旱膶?shí)現(xiàn)方案做出最好的選擇。由于廣播消息容量提高至v4.2版本的8倍，同時(shí)支持更多的數(shù)據(jù)封包(從31字節(jié)變?yōu)?55字節(jié))，藍(lán)牙SIG估計(jì)藍(lán)牙5.0現(xiàn)在可以用于超出一個(gè)房間、甚至超出一座房子的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)連接。該單位并預(yù)測(cè)，到2020年，在所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，33%以上的設(shè)備將內(nèi)建藍(lán)牙功能。

1.藍(lán)牙物理層變化

藍(lán)牙5.0在低功耗標(biāo)準(zhǔn)中新增了兩種模式。第一種模式的符碼率(symbol rate)是現(xiàn)有的1Msps低功耗標(biāo)準(zhǔn)的兩倍，稱(chēng)為L(zhǎng)E 2M PHY(以前的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在稱(chēng)為L(zhǎng)E 1M PHY)。LE 1M和LE 2M PHY都屬于所謂的低公耗未編碼物理層標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗鼈儍?nèi)部都沒(méi)有糾錯(cuò)編碼階段。

第二種模式稱(chēng)為低功耗編碼物理層標(biāo)準(zhǔn)。低功耗編碼物理層標(biāo)準(zhǔn)有兩種編碼方式：S=8和S=2，其中S是每個(gè)位的符碼數(shù)。除循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)以外，還有卷積編碼及映像，提高了冗余度，減少了出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。結(jié)果，編碼的信息可以傳送更遠(yuǎn)的距離，因?yàn)樵谛枰獣r(shí)可以進(jìn)行檢測(cè)和校正。表1匯總了不同的調(diào)變和編碼方式，以及得到的數(shù)據(jù)速率。

表1 藍(lán)牙5.0物理層調(diào)變和編碼方式，以及得到的數(shù)據(jù)速率。

圖2和圖3顯示了低功耗編碼方式與未編碼方式在處理數(shù)據(jù)凈荷時(shí)有哪些不同，這兩者都要進(jìn)行CRC生成和白化。對(duì)于低功耗編碼物理層標(biāo)準(zhǔn)，凈荷要經(jīng)過(guò)前向糾錯(cuò)(FEC)和碼型映射。卷積FEC編碼器使用非系統(tǒng)、非遞歸速率.代碼，限定長(zhǎng)度K=4，編碼器為每個(gè)輸入位生成兩個(gè)輸出位，并經(jīng)過(guò)卷積FEC編碼器，編碼器生成的兩個(gè)輸出位進(jìn)一步映像。如果S=2，那么它們不會(huì)有任何變化，而對(duì)S=8，0映射到0011，1映射到1100。這是為低功耗編碼物理層標(biāo)準(zhǔn)S=8中每一個(gè)輸入位創(chuàng)建8個(gè)位的方式。

圖2 低功耗未編碼物理層的凈荷位處理。

圖3 低功耗編碼物理層標(biāo)準(zhǔn)中的碼流處理增加了許多低功耗未編碼物理層標(biāo)準(zhǔn)中不要 求的步驟。

低功耗編碼物理層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的封包格式也用于廣播信道封包和數(shù)據(jù)信道封包。整個(gè)封包使用1Msym/s的符碼率傳送，每個(gè)封包都由前置碼、FEC碼組1和FEC碼組2組成，如圖4所示。

圖4 藍(lán)牙5.0低功耗編碼封包的內(nèi)容。

前置碼不進(jìn)行編碼。FEC碼組1由三個(gè)字段組成：接入地址、編碼指示符(CI)和TERM1。碼組采用S=8編碼方式，最終符號(hào)數(shù)量始終相同。

CI字段決定了FEC碼組2使用哪種編碼方式。FEC碼組2由三個(gè)字段組成：PDU、CRC和TERM2，它們采用S=2或S=8編碼方式，具體視CI域值而定。CI字段只是一個(gè)兩位字段，用來(lái)區(qū)分S=2方式和S=8方式。

協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)的長(zhǎng)度在2~256字節(jié)之間。因此，最小的封包長(zhǎng)度是462μs(如果把S=2最后一行中的所有值加起來(lái)，那么PDU僅2個(gè)16字節(jié))，最大封包長(zhǎng)度是17,040μs(由S=8獲得，PDU為257字節(jié))。

2藍(lán)牙5.0測(cè)試

被測(cè)組件需要進(jìn)行大量的測(cè)量，以確定其在發(fā)送端滿(mǎn)足藍(lán)牙規(guī)范，以下對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的介紹?？墒褂门鋫渌{(lán)牙5.0分析軟件的中檔頻譜分析儀執(zhí)行這些測(cè)試。

頻帶內(nèi)輻射：這項(xiàng)測(cè)試檢驗(yàn)藍(lán)牙傳輸?shù)念l帶內(nèi)頻譜輻射是否落在極限范圍內(nèi)。極限值已經(jīng)修改，以適應(yīng)LE 2M PHY。低功耗編碼物理層標(biāo)準(zhǔn)的極限以1Ms/s運(yùn)行，其極限行與LE 1M PHY相同。80MHz的整個(gè)藍(lán)牙頻段被分成80個(gè)信道，每個(gè)信道寬1MHz，然后計(jì)算每個(gè)頻段中的積分功率。設(shè)備在中心頻率為M的RF信道上傳送信息，1MHz帶寬鄰道的中心頻率用N表示。對(duì)LE 1M，偏置2MHz頻段中的積分功率應(yīng)小于-20dBm，偏置3MHz或以上頻段中的功率應(yīng)小于-30dBm。對(duì)LE 2M，極限比較從任一側(cè)的4MHz頻率偏置開(kāi)始(而不是2MHz)，對(duì)偏置4MHz和5MHz的頻段，積分功率預(yù)計(jì)小于-20dBm；只有對(duì)超過(guò)6MHz的偏置，才會(huì)設(shè)定小于-30dBm的更嚴(yán)格的要求。

在圖5中，可以看到，每1MHz會(huì)計(jì)算LE 2M功率，用藍(lán)線表示。大家還會(huì)注意到，標(biāo)準(zhǔn)建議了三個(gè)極限：±4MHz、±5MHz和±.6MHz。

圖5 每1MHz計(jì)算LE 2M功率，用藍(lán)線表示。

調(diào)變特性：藍(lán)牙采用的調(diào)變方式是高斯頻移鍵控(GFSK)，帶寬位周期乘積BT=0.5，調(diào)變指數(shù)必須位于0.45~0.55之間。這一測(cè)試檢驗(yàn)已知測(cè)試碼型的頻域是否位于指定極限范圍內(nèi)，測(cè)量使用特定測(cè)試碼型。在以前的藍(lán)牙版本中，使用的碼型是0x0F(00001111)和0x55(01010101)，然后用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方式計(jì)算每個(gè)位間隔中的頻率偏差。在藍(lán)牙5.0中，LE 2M PHY測(cè)試通過(guò)/失敗的極限已經(jīng)變化，因2Msps調(diào)變方式的頻率偏差不同，LE 2M PHY的這些極限翻了一倍。對(duì)LE編碼規(guī)范(S=8)，測(cè)量碼型不同。第一個(gè)碼透過(guò)全部賦值1來(lái)生成，在編碼和映像后，碼型變成00111100。如果編碼器和映像器的輸入碼型全是0，則生成第二個(gè)碼型00110011，標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，這個(gè)測(cè)量從第33個(gè)符碼開(kāi)始。

穩(wěn)定的調(diào)變特性：這是一項(xiàng)新指標(biāo)，以前的藍(lán)牙測(cè)試規(guī)范中沒(méi)有。低功耗設(shè)備配備擁有穩(wěn)定調(diào)變指數(shù)的發(fā)射器，可以利用功能配套機(jī)制把這種情況告訴接收的低功耗設(shè)備。這些發(fā)射器的調(diào)變指數(shù)在0.495~0.505之間，如果適用于其支持的所有LE發(fā)射機(jī)物理層，那么設(shè)備應(yīng)只指明發(fā)射器具有穩(wěn)定的調(diào)變指數(shù)。如果發(fā)射器沒(méi)有穩(wěn)定的調(diào)變指數(shù)，但仍在理想的調(diào)變指數(shù)0.5的1%裕量范圍內(nèi)，那么可稱(chēng)其有標(biāo)準(zhǔn)調(diào)變指數(shù)。

頻率偏置和漂移：透過(guò)在由1和0碼型交替的指定間隔中求頻率偏差平均值，可以計(jì)算頻率偏置。以前低功耗標(biāo)準(zhǔn)中的間隔時(shí)長(zhǎng)為10位或10μs，這種頻率偏置在前置碼和凈荷中計(jì)算，然后計(jì)算這些頻率偏置在50μs間隔中(相距5個(gè)間隔)的漂移。對(duì)LE 2M PHY，間隔仍為10μs，但由20字節(jié)成，而不是10(因?yàn)槭?Msps)，漂移測(cè)量仍分5組進(jìn)行或相距5個(gè)間隔時(shí)長(zhǎng)。對(duì)低功耗編碼物理層標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)選擇16位間隔，而不是10，然后相距3個(gè)間隔時(shí)長(zhǎng)(48μs)計(jì)算漂移，因?yàn)榇a型是00110011。

20dB帶寬：測(cè)量帶寬，直到頻譜下跌到比峰值功率低20dB的點(diǎn)。輸出功率：計(jì)算整個(gè)封包的功率。

深入藍(lán)牙分析：除上述測(cè)量外，一些藍(lán)牙分析軟件提供了與測(cè)試訊號(hào)有關(guān)的額外信息。這些分析可以顯示調(diào)試和優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)用的性能，包括：? 譯碼后的封包信息，即已經(jīng)譯碼的所有包頭和封包信息；? 所有測(cè)量的摘要或截圖及譯碼后的封包信息；? 多個(gè)顯示畫(huà)面，顯示頻率偏差隨時(shí)間變化，在調(diào)試或解釋調(diào)變圖和漂移測(cè)量時(shí)使用；? 漂移表，顯示10位間隔中計(jì)算的頻率偏置及50μs中的漂移(相距5個(gè)間隔時(shí)長(zhǎng))；? 星座圖、眼圖和符號(hào)表顯示。

3實(shí)現(xiàn)

在藍(lán)牙應(yīng)用使用實(shí)時(shí)頻譜分析儀也很有用，它可以顯示隱藏在寬帶噪聲下的問(wèn)題，而用其他儀器看不到這些問(wèn)題。圖6(右)顯示了掃頻分析儀在40MHz掃描中看到的內(nèi)容，以及實(shí)時(shí)頻譜分析儀(左)看到的內(nèi)容。

圖6 實(shí)時(shí)頻譜分析儀可以顯示傳統(tǒng)掃頻分析儀漏掉的隱藏問(wèn)題。

藍(lán)牙5.0較4.2 LE作出了全面改進(jìn)。透過(guò)密切關(guān)注測(cè)試測(cè)量策略，你設(shè)計(jì)的設(shè)備將能夠利用新標(biāo)準(zhǔn)提供的每一個(gè)優(yōu)勢(shì)。