蓝牙BLE技术暨PHY层降功耗的方法

BLE整体框架

和绝大部分通讯芯片一样，BLE整体框架也是由软（协议）+硬（硬体）两部分组成。本文所涵盖内容将涉及软硬件实现的各个部分。

PHY/信道调制

射频物理层进行了低功耗的优化设计，使得在发射和接收时的峰值电流与传统蓝牙相比，大大降低。

调制方式传统蓝牙和低功耗蓝牙都使用高斯频移键控（GFSK）调制。但是低功耗蓝牙使用的调制系数为0.5 （接近高斯最小频移键控GMSK 方案，增加这个系数可以滤除更多数字信号的高频从而降低调制信号的带宽，功放效率也会提高），而传统蓝牙技术的调制系数为0.35 。这种调制方式的变化有利于降低功耗和提高BLE 的通信距离。

当原始数字信号在经过FSK调变送出前，加上一个高斯低通滤波器来限制调变后的信号频谱宽度，使得在通讯上能限制频谱宽度的传输以及功率的消耗。

GFSK高斯频移键控调制是把输入数据经高斯低通滤波器预调制滤波后，再进行FSK调制的数字调制方式。它在保持恒定幅度的同时,能够通过改变高斯低通滤波器的3dB带宽对已调信号的频谱进行控制，具有恒幅包络、功率谱集中、频谱较窄等无线通信系统所希望的特性。

调制指数与FSK调制互相关的关系曲线

PHY/检错纠错

与蓝牙4相比，蓝牙5的LE Coded物理层可以将通信距离扩大到四倍左右，而且不需要增加传输功率，从而降低功耗。

路径损耗是发射机天线到接收机天线的能量消耗。路径损耗与距离的计算公式path loss = 40 + 25log(d)——d表示发射机和接收机的距离

通讯距离与路径损耗的关系

通讯距离

通常增加传输距离的方法是加大发射功率。在不增加发射功率的情况下增加蓝牙的通信距离这个目标，就是如何增加接受器的灵敏度，从而在更远距离，更低信噪比的情况下依然可以达到误比特率的要求，正确解码数据，从而增大传输距离。

错误处理

在通信系统中，主要通过两种方法来进行错误处理。一个是错误检测，第二个是错误纠正。

错误检测

蓝牙中使用了循环冗余校验（CRC）技术。所有的数据包都有一个24位的CRC值，由发射器进行计算，并附加到数据包中。接收器重新计算CRC，并将计算值与数据包中的的CRC值进行比较。如果它们不相同，就说明传输出现了错误。

错误纠正

如果我们不使用任何形式的错误校正方法，距离信源越远，传输的数据误比特率（BER）就会越大。使用FEC方法，可以在通讯过程中降低BER，这样通信的有效范围就会增加。

操作方法

启用物理层FEC功能，设置S=2或S=8

优化效果

传输距离增加2倍、4倍，而无需增加发送电流

使用LE编码时的数据包结构

以通讯距离从2.5米扩展至5.0米为例

1.采用FEC编码S=2，因为数据率下降通讯时间延长为2倍，整体功耗变为2倍。

2.采用增加发射功率的方法，平均电流变为5倍，整体功耗变为5倍。

采用FEC编码，可以节省60%功耗

PHY/信道缩减

传统蓝牙设备的待机耗电量大是公认的缺点之一，这与传统蓝牙技术采用 16～32 个频道进行广播有关，低功耗蓝牙使用 3 个广播通道，这个改变显然大大降低了广播数据导致的功耗。此处受益最大的是监听设备，因为其不用在32个信道上进行监听。

同时每次广播时射频的开启时间也有传统的22.5ms减少到0.6~1.2ms

操作方法

在实际使用过程中，可以通过在收发双方 “指定广播信道（例如37信道）”的方式，降低广播的功耗。

增加广播间隔，降低设备的平均电流。

以上是PHY层的降功耗方法。