1. Введение

Физический уровень - это нижний уровень стека протоколов BLE, который определяет основные радиочастотные параметры связи BLE, включая частоту сигнала, схему модуляции и т.д.

Рабочая частота BLE составляет 2,4 ГГц. Он использует частотную модуляцию GFSK и использует механизм скачкообразной смены частоты для решения проблемы перегрузки канала.

Существует три схемы реализации для физического уровня BLE 5, а именно некодированный физический уровень со скоростью 1 Мb/s, некодированный физический уровень со скоростью 2 Мкс/с и кодированный физический уровень со скоростью 1 Мb/s. Среди них некодированный физический уровень со скоростью 1 Mb/s совместим с физическим уровнем протокола серии BLE v4, в то время как два других физических уровня увеличивают скорость связи и расстояние связи соответственно.

2. Диапазон частот и перестройка частоты

Для использования большинства частотных диапазонов беспроводной связи необходимо подать заявку на получение разрешения. В разных регионах открыто небольшое количество частотных диапазонов без авторизации. Пока продукты соответствуют местным спецификациям радиосвязи, их можно использовать без разрешения. В таблице показаны глобальные безлицензионные полосы частот и их распределение：

 Таблица: Доступные нелицензионные полосы частот

Полоса частот 2,4 ГГц очень широкая, охватывает всю карту и предназначена для использования тремя учреждениями: промышленностью (I ndustrial), наукой (S scientific) и медициной (M edical). Она называется полосой частот ISM. Диапазон частот ISM может использоваться без разрешения по всему миру.

BLE работает в диапазоне 2,4 ГГц.

Сигнал в диапазоне 2,4 ГГц имеет очевидные преимущества и недостатки. Преимущества заключаются в бесплатной и развитой технологии. Недостатками являются переполненные полосы частот, плохие характеристики распространения сигнала и затухание в случае воды.

В настоящее время, помимо сигналов Bluetooth, в этой полосе частот работают Wi-Fi, ZigBee, беспроводные клавиатуры, беспроводные игрушки и даже микроволновые печи.

Когда в одном помещении одновременно работают несколько беспроводных устройств, заполняемость полосы частот такая, как показано на рисунке ниже ：

Среди них зеленый импульс - это сигнал BLE, а красные сигналы - это Wi-Fi, микроволновые печи и беспроводные устройства, которые создают помехи.

BLE работает в диапазоне частот 2.400 ГГц–2.480 ГГц, и этот диапазон равномерно разделен на 40 каналов, причем соседние каналы расположены на расстоянии 2 МГц друг от друга. Частота и распределение 40 каналов показаны на рисунке ниже.：

BLE использует технологию скачкообразной смены частоты для решения проблемы перегруженности полосы частот, даже если каждая передача данных происходит по другому каналу, если канал переполнен, то избегайте этого канала и выбирайте для связи другие доступные каналы.

Простой алгоритм перестройки частоты выглядит следующим образом: F(n + 1) = [F(n) + hop]% 37, где параметр hop - это параметр перестройки частоты, установленный самим физическим уровнем.

На практике для обновления канала связи используется алгоритм адаптивной перестройки частоты.

Рабочий механизм адаптивной перестройки частоты заключается в том, чтобы отмечать, переполнен ли канал, вести таблицу каналов для записи загруженности каждого канала во время работы, и сопоставлять переполненный канал с доступными каналами, а затем комбинировать приведенный выше простой алгоритм перестройки частоты для завершения выбора канала. Если результат простого алгоритма перестройки частоты указывает на переполненный канал, он далее переходит к доступному каналу, который он сопоставляет, так что передача данных всегда работает по доступному каналу.

3. модуляция

3.1 Способ модуляции

Физический уровень определяет два метода модуляции.

Одна схема использует гауссову частотную манипуляцию GFSK со скоростью передачи символов 1 Мb/s.Второй метод аналогичен первому, но имеет скорость передачи символов 2 Мb/s.

Первый метод делится на два типа：

• LE1M Некодированный PHY.Скорость передачи данных этого метода составляет 1 Мбит/с, и он совместим с протоколом версии BLE v4.

• LE1M с кодировкой PHY.Этот способ кодирует пакеты таким образом, что пакеты, принятые принимающей стороной, имеют возможность прямой коррекции. При тех же условиях частоты битовых ошибок количество повторных передач с битовыми ошибками может быть значительно уменьшено, тем самым увеличивая скорость связи. Если используется 8-символьная кодировка, скорость передачи данных составляет 125 кбит/с, а если используется 2-символьная кодировка, скорость передачи данных составляет 500 кбит/с.

LE1M с некодированным PHY - это физический уровень, который должен быть реализован протоколом BLE, в то время как LE1M с кодированным PHY - это необязательное решение.

Скорость передачи символов в этих двух методах реализации составляет 1 Мб/сек.

“Символ” в значении скорости передачи символов относится к информации, полученной в одной выборке. Эта информация может содержать несколько битов, или несколько битов информации могут быть эквивалентны одному биту. Например, в системе амплитудной модуляции напряжения +5 В используется для представления 11b, +2 В используется для представления 10b, -2 В используется для представления 01b и -5 В используется для представления 00b. Затем два бита информации могут быть получены путем однократной выборки напряжения. В это время скорость передачи битов в два раза превышает скорость передачи символов. В PHY-механизме с кодировкой LE1M для представления 1 бита используются 8 символов. В это время скорость передачи данных составляет 1/8 скорости передачи символов.

Вторым методом реализации физического уровня является：

• LE2M Некодированный PHY.Скорость передачи данных этой схемы составляет 2 Мбит/с, что является необязательной реализацией.

Официальная документация использует LE1M PHY, LE с кодированием PHY и LE2M PHY для представления вышеупомянутых трех различных методов реализации на физическом уровне：

S=8 в таблице означает, что 8 символов закодированы в 1 бит.

3.2 GFSK

Частотная модуляция заключается в наложении низкочастотного сигнала данных на высокочастотную несущую. Изменение данных отражается в виде изменения частоты модулированной волны, как показано на рисунке ниже.：

Оцифрованный сигнал изменяется только на 0 и 1. Когда он модулируется, прямое смещение несущей частоты может быть определено как 1, а отрицательное смещение - как 0. Этот метод модуляции называется "частотная манипуляция (FSK)”. Когда цифровой сигнал подвергается преобразованию 0/1, будет генерироваться много шума. Введение фильтра Гаусса может увеличить время преобразования 0/1, тем самым уменьшая шум. Этот подход называется "гауссовской частотной манипуляцией (GFSK)".

GFSK обладает развитой технологией и простой реализацией, которая подходит для нужд BLE с низким энергопотреблением.

Протокол BLE предусматривает, что прямое смещение центральной частоты, большее или равное 185 кГц, рассматривается как бит 1, а отрицательное смещение, большее или равное 185 кГц, рассматривается как бит 0. Если вы выберете 2402 МГц в качестве центральной частоты, частота бита 1 должна быть 2402,185 МГц, а частота бита 0 должна быть 2401,815 МГц.

4. передатчик

4.1 Структурная схема передатчика

Сигнал на рисунке слева направо. Сигнал основной полосы частот модулируется с помощью GFSK и разделяется на два сигнала, синфазный (сигнал I) и квадратурный (сигнал Q), а затем по очереди проходит через DA-преобразование и фильтр нижних частот, а затем использует синтезатор частот для преобразования с повышением частоты, а затем синтезирует две составляющие сигнала посредством усиления PA, подавая сигнал на антенну.

Компоненты фазы ввода-вывода/добротности работают параллельно для подавления зеркальной частоты. Синтезатор частот с управлением от ФАПЧ может генерировать стабильный и точный частотный сигнал, в то время как другие способы фильтрации и преобразования более понятны.

4.2 Параметры передатчика

(1) Мощность передачи

При первом подключении двух устройств следует избегать настройки выходной мощности на максимальную, что может привести к мгновенному насыщению приемника однорангового устройства, что приведет к сбою связи.

Протокол BLE делит устройства BLE на следующие категории в зависимости от выходной мощности：

Стоит отметить первый уровень. Если максимальная выходная мощность устройства составляет +20 дБм, то минимальная мощность равна +10 дБм.

(2) Параметры модуляции

Метод модуляции: GFSK

Продукт времени полосы пропускания BT: 0,5

Коэффициент модуляции: 0,45-0,55

Эффективное смещение частоты составляет: ±185 кГц

Точность часов: ±50 ppm

(3) Рассеянная волна

При использовании определенной частоты для передачи случайных данных мощность рассеянных волн должна быть менее-20 дБм в соседнем частотном диапазоне ± 2 МГц, а мощность рассеянных волн должна быть менее-30 дБм в соседнем частотном диапазоне ± 3 МГц.

(4) Допуск по радиочастотам

Смещение центральной частоты меньше или равно ±150 кГц.

Максимальный дрейф частоты меньше или равен ±50 кГц.

Максимальная скорость дрейфа частоты меньше или равна 400 Гц/мкс.

Поскольку стабильность радиочастоты напрямую связана с кварцевым генератором, параметр frequency offset определяет значение ошибки внешнего радиочастотного кварцевого генератора.

Например, при использовании внешнего кварцевого генератора с ± 50 ppm диапазон случайного изменения частоты составит ± 150 кГц, что соизмеримо с полезным диапазоном изменения частоты, поэтому многие микросхемы ограничивают погрешность радиочастотного кварцевого генератора менее, чем 50 ppm.

5. приемник

5.1 Структурная схема приемника

Процесс приема является процессом, обратным процессу передачи, но приемник сложнее, чем передатчик, и вариантов схем приемников больше.

Блок-схема приемника выглядит следующим образом：

Сигнал Bluetooth поступает в микросхему, сначала через усилитель с низким уровнем шума (LNA), который по-прежнему разделяется на две фазовые составляющие I/Q, затем через полосовой фильтр, используя VGA (усилитель с переменным коэффициентом усиления) для усиления, и, наконец, преобразуется в цифровой сигнал и передается процессору. Процесс демодуляции GFSK на блок-схеме опущен. Он расположен после преобразователя АЦП.

5.2 Параметры приемника

(1) Частота ошибок в битах

Во время связи BLE передача данных может завершиться сбоем из-за внешних помех. Частота битовых ошибок BER (Bit Error Rate) используется для характеристики вероятности сбоя передачи битов.

Частота ошибок в битах слишком высока, что повлияет на скорость связи. Когда протокол BLE требует передачи небольших пакетов, частота ошибок в битах должна быть меньше 0,1%.Это также стандарт для тестирования радиочастотных характеристик оборудования BLE.

Протокол BLE определяет пороговое значение частоты ошибок в битах для передачи пакетов различной длины：

(2) Чувствительность приема

Протокол BLE предъявляет различные требования к чувствительности приема для кодированного и некодированного физических уровней：

Большинство чипов BLE, представленных на рынке, утверждают, что имеют чувствительность приема -90 дБм или даже ниже, а чувствительность приема определенного чипа BLE 5 достигает - 97 дБм.

В идеальных условиях, предполагая, что выходная мощность передатчика равна 0 дБм, а чувствительность приемника равна - 90 дБм, выходной сигнал передатчика достигает приемника по тракту, и мощность ослабевает до -90 дБм, что означает, что потери в тракте равны 90 дБ. Если выходная мощность составляет 20 дБм, то при ослаблении до -90 дБм потери в тракте составляют 110 дБ.

Существует следующая корреляция между потерей сигнала в пути и расстоянием связи：

потеря пути = 40 + 25 × логарифм (расстояние)

Составление таблицы будет более интуитивно понятным：

Если расстояние связи составляет 630 м, система связи должна быть способна выдерживать потери в тракте 110 дБ.

Когда мощность передачи по умолчанию равна 0 дБм, а чувствительность приема равна минимальному значению, указанному в протоколе BLE, - 70 дБм, то максимально достижимое расстояние составляет 16 м. Вот почему во многих документах считается, что BLE - это технология связи на расстоянии до 10 м. Учитывая, что чувствительность приема большинства чипов BLE лучше - 90 дБм, фактическое расстояние связи должно быть больше 10 м.

Запуск BLE 5 значительно расширил потенциал дальности связи, и различные производители чипов усердно работают над улучшением дальности связи. Недавно Nordic и TI провели реальные тесты своих собственных чипов BLE 5, и расстояние связи составляет более 1000 м в хороших условиях.

(3) Помехоустойчивость

Помехоустойчивость приемника с тем же каналом составляет 21 дБ, а помехоустойчивость на соседней частоте 1 МГц - 15 дБ.

Требования 1M PHY и 2M PHY немного отличаются.

Также должна быть обеспечена соответствующая устойчивость к внеполосному шуму (полосы частот за пределами диапазона 2,4 ГГц).

(4) Максимальная эффективная мощность

Приемник может нормально работать по крайней мере на уровне -10 дБм, а BER гарантированно будет лучше 0,1%.

6. Приемопередатчик

Передатчик и приемник были представлены ранее. В реальной микросхеме BLE приемник и передатчик размещены в одной схеме, которая называется приемопередатчиком. На рисунке ниже приведена структурная схема устройства с частотой 2,4 ГГц, которое имеет практическое эталонное значение ：