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在本文中，我們將探討各種低功耗藍牙 (BLE) PHY 無線模式。然而，在深入探討之前，讓我們首先對物理層或 PHY 層以及該協議層中涉及的內容進行基本討論。
BLE PHY 層背后的基礎知識
PHY 層是BLE 等無線通信協議的關鍵部分（圖 1）。
圖 1.顯示 PHY 層布局的示例協議棧。圖片由Microchip提供
對于藍牙設備，這一層主要涉及 LE 無線發射器和接收器如何使用無線信號發送和接收數字數據。一般來說，PHY 層設置重要的規則和屬性，以確保設備可以有效地通信。它涵蓋的一些主要方面包括：
頻段
高斯頻移鍵控 (GFSK) 調制方案
傳輸速度
Power
接收靈敏度
時間劃分
考慮到這些方面，我們來看看第一個方面：頻段。
BLE 頻段
藍牙LE通信在全球未授權的2.4 GHz ISM(工業、科學和醫療)頻段內進行。這個頻帶被分成40個通道，每個通道 2 MHz 寬（圖 2）。
圖 2.藍牙 LR 通信的頻譜。圖片由Microchip提供 ? 此外，其中 37 個通道專用于數據傳輸和輔助廣播，而其余 3 個用作主要廣播通道，用于發現和發起設備之間的連接。
BLE調制方案—GFSK
所有 LE 無線發射器和接收器均使用 GFSK 調制方法通過無線信號發送和接收數據。一般來說，GFSK 通過根據傳輸的數字信息改變載波無線電信號頻率來對數據進行編碼。載波是具有特定頻率的連續無線電信號，作為傳輸信息的基礎。? 所有LE無線電發射機和接收機都使用GFSK調制方法通過無線電信號發送和接收數據。一般來說，GFSK通過根據傳輸的數字信息改變載波無線電信號頻率來對數據進行編碼。載體是具有特定頻率的連續無線電信號，作為傳輸信息的基礎。 當需要發送數字“1”時，提高載波頻率，當需要發送數字“0”時，降低頻率。這些頻率的變化稱為頻率偏差。在藍牙 LE 中，該頻移通常約為 ±185 kHz。 現在，我們來談談 GFSK 的高斯方面。當我們說“高斯”時，我們指的是高斯濾波器，它用于在編碼過程中整形和平滑頻率的變化。如果沒有高斯濾波，頻移將會突然發生，從而使信號更難以準確傳輸和解碼。高斯濾波器可以平滑這些突然的頻率轉變。更平滑的頻率轉換可減少信號失真，使通信更加可靠，并有助于節省能源——這些都是設備之間低功耗無線通信的關鍵因素。
藍牙 LE 傳輸速度、功率和接收器靈敏度
在藍牙 LE 的物理層中，傳輸速度以每秒符號而不是每秒位數來衡量。這是因為物理層關注的是發送和接收的實際無線電信號，而不是它們代表的數字位。澄清一下，符號是指模擬信號的最小單位，而比特則代表數字信息的最小單位。 PHY 層還描述了 LE 無線電發射器允許的輸出功率級別，該功率級別在 0.01 到 100 mW（或 -20 到 +20 dBm）之間。然而，不同地區的監管機構可能有自己的要求，這些要求可能會取代藍牙 SIG 的規范。因此，實施者必須確保其設備符合其計劃使用或銷售其產品的地區適用的當地法規。
PHY 層定義的兩個附加示例特性是接收器靈敏度和誤碼率 (BER)。接收器靈敏度衡量接收器可以有效解碼的最小信號強度，而誤碼率是指接收到的錯誤比特數與傳輸比特總數的比率。較低的 BER 表明通信鏈路更加可靠和準確，因為傳輸過程中發生的錯誤較少。制造商通常將接收器靈敏度指定為實現特定 BER 所需的最小信號強度。通常，當傳輸包含 37 個八位位組或更少的數據包時，藍牙核心規范允許的最大 BER 為 0.1%。 直觀地說，一個八位字節相當于 8 位。因此，包含 37 個八進制的數據包總計 37 x 8 = 296 位。當最大 BER 為 0.1% 時，此類數據包中允許的誤碼數將為 296 位的 0.1%。這意味著每 3 到 4 個 37 個八位位組的數據包最多出現一位錯誤。
BLE 時分雙工 (TDD)
所有藍牙 LE 無線電都是半雙工設備，這意味著它們可以傳輸或接收數據，但不能同時傳輸或接收數據。根據 PHY 層，LE 無線電應使用時分雙工 (TDD) 方案來模擬全雙工系統的行為。在 TDD 中，設備在同一頻段內的發射和接收模式之間快速切換，每種模式使用單獨的時隙。該技術允許設備之間進行持續的雙向通信，同時仍然作為半雙工設備運行。? 上面提到的這些特性只是藍牙規范中的一些特性。
藍牙 LE PHY 符號率模式 - 1M 和 2M
藍牙 LE 技術提供多種 PHY 無線電模式，每種模式都有其獨特的優點和局限性。讓我們仔細看看這些模式。 1M—概述和優點 1M PHY 模式是標準藍牙 LE 無線電模式，自藍牙 LE (v4.0) 誕生以來就一直存在。它以每秒 1 兆符號 (Msym/s) 的符號速率運行，這意味著每個有效負載位只需 1 μs 即可傳輸。 每個藍牙 LE 設備都必須支持 1M PHY 模式，使其成為唯一完全向后兼容不支持BLE 5 的BLE 設備的模式。它也被認為是比較其他 PHY 模式的基準。它在功耗和范圍之間提供了良好的平衡，使其適合大多數日常應用。連接兩個藍牙 LE 設備時，1M PHY 模式始終是默認起點。從那里開始，如果兩個設備都支持其他模式，則對等方可以請求切換到更高級的模式以滿足特定要求。? 以下是此模式的一些優點: 1M模式的優點：
低功耗
與所有藍牙 LE 設備兼容
2M — 概述、用例和優勢
2M PHY 模式隨藍牙 5.0 一起推出，其數據速率是 1M PHY 模式的兩倍，運行速度為 2 Msym/s。這意味著每個有效負載位只需 0.5 μs 即可傳輸。2M模式允許更快的數據傳輸，這可以減少活動無線電通信期間的功耗，特別是對于較長的數據傳輸，其中與協商切換到該模式相關的開銷成為整個通信的可忽略不計的部分。? 下面我們將概述一些一般用例和此模式的優點: 2M 模式的理想用例：
高吞吐量應用程序，例如固件更新
大數據量應用，例如緩沖傳感器
2M模式的優點：
更快的數據傳輸
更短的通訊時長，降低功耗
提高頻譜效率
BLE 5.0 前向糾錯 PHY 模式：Coded S2 和Coded S8
藍牙 5.0 中引入的編碼 PHY 模式旨在擴展藍牙 LE 通信的范圍和穩健性。編碼 PHY 模式使用前向糾錯 (FEC) 來增強噪聲環境中的鏈路可靠性。該技術允許接收器檢測并糾正接收數據中的錯誤，而無需請求重傳。FEC 算法在傳輸前向原始數據添加冗余位（稱為“奇偶校驗位”）。然后，接收器可以使用這些奇偶校驗位來識別并糾正一定限度內的錯誤。? 與 1M PHY 相比，編碼 PHY 提高了 BLE 的可靠性，但代價是吞吐量降低和功耗增加。
編碼 PHY 模式的兩種變體是Coded S2 和Coded S8。S2和S8之間的主要區別在于所使用的編碼方案。 下面我們將簡要介紹每種編碼方案: Coded S2 在Coded S2中，數據有效負載用兩個符號進行編碼，這意味著有效負載數據的每一位都傳輸兩個符號。換句話說，與 1M PHY 模式相比，數據速率減半。該編碼方案提供了大約兩倍于 1M PHY 模式范圍的擴展范圍，同時犧牲了一些數據吞吐量。
數據速率降低 2 倍（與 1M PHY 相比）
范圍增加 2 倍
使用 2 符號編碼，因此稱為 S2
與 1M 和 2M PHY 相比吞吐量較低
Coded S8 Coded S8 將 FEC 提升到另一個水平。它使用八個符號編碼方案，這意味著八個符號代表傳輸過程中有效負載數據的每一位。與 1M PHY 模式相比，這種編碼導致數據速率降低八倍。S8 編碼的優點是范圍更廣，大約是 1M PHY 模式范圍的四倍（圖 3），但代價是數據吞吐量顯著降低。
圖 3.S2和 S8 編碼概述
數據速率降低 8 倍（與 1M PHY 相比）
范圍增加 4 倍
使用比編碼 S2 PHY 更強大的編碼和糾錯方案
使用 8 符號編碼——因此被稱為 S8
PHY 模式中吞吐量最低
編碼 PHY 模式的理想用例：
遠距離應用
編碼 PHY 模式的優點：
增加通訊范圍
提高了嘈雜環境中的鏈路可靠性
抗干擾魯棒性
比較 PHY 符號額定模式和前向糾錯模式
結合上述對話，表 1 顯示了不同模式的細分和比較。 表 1. 1M、2M、編碼 S2 和編碼 S8 之間的比較。
研究人員測試PHY模式的性能要求
自 2016 年 6 月發布以來，?格拉茨科技大學的研究人員?進行了一項研究，以評估 BLE 5 PHY 模式的實際性能。 由Michael Sp?rk領導的團隊檢查了 2M PHY 的性能，該 PHY 有望使吞吐量翻倍，而編碼 PHY（也稱為藍牙遠距離）的性能旨在提高通信可靠性。 實驗是在一個空置的大學實驗室中使用Nordic Semiconductor 的nRF52840 DK器件進行的。該設置由 BLE 客戶端和所有四種 PHY 模式的外設組成，用于測量不同配置中的功耗、吞吐量和可靠性。 正如預期的那樣，2M PHY 模式由于其快速的數據速率而產生最低的平均功耗。然而，編碼的 S8 PHY 的功耗最高，主要是因為其編碼方案的開銷。與 1M PHY 模式相比，2M PHY 的功耗大約減少了 8%，而編碼的 S2 和 S8 PHY 的功耗分別增加了大約 61% 和 70%。這些結果的細分如圖 4 所示。
圖 4.使用 125 ms 固定連接間隔時，具有不同 PDU 長度和 PHY 模式的 BLE 從設備的平均功耗。 在吞吐量方面，2M PHY 提供了最高的性能，實現了 1M PHY 模式吞吐量的 178% 至 212%，有效地將其容量翻倍。相反，編碼的 S8 PHY 表現出最低的吞吐量。 該研究還通過測量不同鏈路質量的數據包接收率（PRR）來評估通信可靠性。2M PHY 具有最低的 PRR，而編碼的 S2 和 S8 PHY 由于其編碼方案，顯著提高了鏈路質量較差的可靠性。 最后，研究人員評估了四種 PHY 模式在 Wi-Fi 干擾下的魯棒性。正如預期的那樣，編碼 S8 PHY 模式提供了最高的 PRR 和可靠性。在 Wi-Fi 干擾下，編碼 S2 和 S8 PHY 保持幾乎 100% PRR，而 2M PHY 在 Wi-Fi 傳輸功率為 5 mW 時僅管理 54% PRR（圖 5）。
圖 5.不同衰減級別下不同 PHY 模式的數據包接收率。圖片由Sp?rk 等人提供。 這些研究人員還發現了有關鏈接質量的一些有趣的事情。PHY 模式的最佳選擇取決于連接的質量。當連接穩定且干擾較低時，2M PHY 模式是最大化數據吞吐量和能源效率的最佳選擇。與其他 PHY 模式相比，其更高的數據吞吐量可實現更快、更節能的通信。 然而，當連接質量較差時，數據包經常被損壞。在這種情況下，編碼 S8 PHY 模式變得更合適，因為它可以恢復大多數損壞的數據包而無需重傳，因此更加節能。有趣的是，在 -10 dBm 和 -15 dBm 衰減之間有一個小的過渡區域，其中 1M PHY 模式在功耗方面略優于其他 PHY 模式。
選擇正確的藍牙 LE PHY 模式
在為您的應用選擇最佳藍牙 LE PHY 模式時，請考慮以下因素：
數據速率要求： 選擇滿足您的數據吞吐量需求的 PHY 模式。 2M 提供最高吞吐量，而編碼 S8 提供最低吞吐量。
范圍要求： 如果遠程通信至關重要，則編碼 PHY 模式可能更合適。
可靠性要求： 確定應用程序所需的可靠性級別，并考慮增強可靠性的 PHY 模式。
功耗： 考慮設備的功耗限制并選擇可提供適當功率效率平衡的 PHY 模式。 2M PHY 模式最節能，而編碼 S8 PHY 模式功耗最高。
鏈路質量： 評估應用程序環境的典型鏈路質量，并選擇在這些條件下性能最佳的 PHY 模式。
兼容性： 確保所選的 PHY 模式與您想要通信的設備兼容。 通常，1M 是強制的，而 2M 和編碼 PHY 模式是可選的。
總體而言，選擇正確的藍牙 LE PHY 模式通常涉及數據速率、范圍和功耗的權衡。通過了解應用程序的具體要求，您可以找到最佳平衡以實現最大性能。最后，您需要決定什么對您的特定應用程序更重要：使數據傳輸速度提高兩倍或大大提高連接的可靠性。如果您的應用需要高數據吞吐量，您可以選擇 2M PHY 模式，盡管它的功耗較高且范圍較小。另一方面，如果遠程通信是更迫切的需求，那么編碼 PHY 模式可能更合適，盡管其數據速率較低。 最后要考慮的一件事是鏈接質量。鏈路質量會影響您對 PHY 的選擇，因為它會直接影響有效數據吞吐量和功耗。
在良好鏈路質量條件下運行良好的 PHY 模式在低質量環境中的表現可能與預期不同。? 藍牙 LE 提供了多種 PHY 模式，使其適用于更廣泛的應用。了解每種 PHY 模式的優缺點有助于您選擇最佳選項，根據您的特定需求平衡速度、距離和電池使用情況。隨著藍牙 LE 技術的不斷改進，我們可以期待未來的無線設備具有更好的性能和效率。
審核編輯：黃飛
工商網監
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