Nordic Nrf52840芯片為例看無線電傳輸和距離相關(guān)的兩大關(guān)鍵因數(shù)

首先想說的是，在這個(gè)夜晚，Merry Chrismas Eve, buddies and sisters，感謝大家捧場關(guān)注，也感謝大家花片刻時(shí)間來閱讀我的碎語。

一年又到年終時(shí)，回顧今年，是否感慨沒有好好為家人做一餐晚餐，是否在感慨一抬頭已經(jīng)年關(guān)而一事無成，是否做了很多項(xiàng)目依然生活拮據(jù)看不到希望....人會迷茫，而迷茫的時(shí)候容易輕視自己，我也沒什么良藥治愈，唯有堅(jiān)持。技術(shù)的路是一條苦路...我想在每一周的文章分享一句名言，激勵(lì)自己寫更好的文章。 我不鼓勵(lì)996加班加點(diǎn)趕項(xiàng)目趕工程，除了工作，我們需要生活。騰出空，去生活，去思考。

第一言 是高中語文老師第一次上課寫在黑板上，背誦了好多年 愕然回首 感同身受.

有志者、事竟成,破釜沉舟,百二秦關(guān)終屬楚; 苦心人、天不負(fù),臥薪嘗膽,三千越甲可吞吳.

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上周寫了藍(lán)牙52X 數(shù)據(jù)吞吐量，這周聊聊藍(lán)牙5重要的4X 遠(yuǎn)距離的原理。

我們先談一談無線電傳輸和距離相關(guān)的兩大關(guān)鍵因數(shù)(因數(shù)不只兩個(gè)，這個(gè)定性分析兩個(gè)和我們息息相關(guān)的):

一. 鏈結(jié)預(yù)算Link Budget

在部署無線電通信時(shí)，鏈路預(yù)算(Link Budget)就是指從發(fā)射機(jī)開始通過射頻媒介直到接收機(jī)之間的所有增益和衰減的總和。鏈路預(yù)算計(jì)算的目的是確保最終的接收信號強(qiáng)度處于接收機(jī)的接收靈敏閾值之上。簡單來說，鏈路預(yù)算越大，發(fā)送端和接收端的距離越遠(yuǎn)。

Link budget[dB]= TX Power[dBm]- Sensitivity level[dBm]

舉例說明:

以TI CC2640R2F芯片為例，最大TX Power 5dbm, 最大接收靈敏度 -97dBm,根據(jù)上述公式，5 dBm - (-97 dBm) =102 dB。

以Nordic Nrf52840芯片為例，最大TX Power 8dbm, 最大接收靈敏度 -96dBm,根據(jù)上述公式，8dBm - (-96 dBm) =104 dB。

結(jié)論:

鏈結(jié)預(yù)算值越大，傳輸距離越遠(yuǎn)。

二. 無線電傳輸損耗

1.自由空間損耗

顧名思義，即為無線信號在空氣中傳播的損耗，可以由以下公式得到

F為頻率，單位為G hz,D為發(fā)射端與接收端距離，單位為千米。由該公式可知路損的相關(guān)因素分為以下兩個(gè):

1).發(fā)射天線與接收天線間的距離。

2).頻率， 頻率越高路損越大。

2.現(xiàn)實(shí)中無線電對地平面損失

自由空間損耗是理想狀態(tài)下無線電的損耗，實(shí)現(xiàn)當(dāng)中還有兩個(gè)考慮的因數(shù)，第一，天線損耗；第二，地表對無線的吸收和反射。

在考慮天線損耗和地表對無線的吸收和反射，我們可以概括得出下列公式。

h1和h2為發(fā)射端和接收端對地距離，k為自由空間波數(shù)，r是發(fā)射端和接收端的天線。

繪制自由空間損耗和地平面損失和距離關(guān)系的圖如下所示：

在外界條件一致的情況下可以簡化得到下面非常有意義的公式：

該公式的結(jié)論如下：

無線電傳輸距離和發(fā)射端，接收端對地距離成正比，距離地面越高，傳輸越遠(yuǎn)。

講完和距離相關(guān)的兩大因數(shù)，回到正題：

藍(lán)牙5特性二【4X 遠(yuǎn)距離】

在4.2及以前的版本中藍(lán)牙低功耗在信道傳輸中未使用糾錯(cuò)編碼技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的基準(zhǔn)靈敏度為-70dBm(基本上每一家藍(lán)牙芯片廠商都可以做到-90dBm)。藍(lán)牙5引入了卷積前向糾錯(cuò)編碼(Convolutional Forward Error Correction Coding)技術(shù)，提高了接收機(jī)的抗干擾能力，將接收機(jī)的參考靈敏度分別提高到-75dBm (S=2編碼)和-82dBm (S=4編碼),同時(shí)提高了接收機(jī)的載干比(載干比：C/I=載波信號強(qiáng)度/干擾信號強(qiáng)度)性能。使得在保持TX相同功耗情況下，藍(lán)牙的距離提升了4倍，下面來說說如何做到提高接收靈敏度,依靠的就是編碼PHY。

BLE編碼PHY

藍(lán)牙5除硬件支持1M,2M PHY，還支持兩種編碼方式的PHY，這兩種編碼方式的PHY是基于1M PHY的基礎(chǔ)，使用1M PHY的物理通道。新的編碼分為兩種，一種編碼PHY為500kbps(S=2)，另外一種編碼PHY是125kbps(S=8)。

編碼PHY的數(shù)據(jù)包類型和1M PHY/2M PHY 數(shù)據(jù)包類型略有不同，增加了CI(coding indicator)和TERM1和TERM2。CI和TERMx構(gòu)成了FEC(Forward Error Correction)區(qū)塊，利用FEC恢復(fù)在傳輸過程中的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)位，以提升接收靈敏度。

經(jīng)過S=2或者S=8的編碼，接收靈敏度可以提升4-6dBm，距離相應(yīng)提升2-4被。但是進(jìn)化出一種新的能力必然會犧牲自己一項(xiàng)能力，和1M PHY相比，傳輸?shù)木嚯x提升了，但傳輸相同數(shù)據(jù)包，編碼PHY的功耗比1M PHY就要高出一節(jié) (BLE 規(guī)定的包長一致，部分payload變?yōu)镕EC data，實(shí)際有效的傳輸數(shù)據(jù)減少)。

數(shù)據(jù)流傳遞方式:

1M/2M PHY

在沒有編碼方式下，TX數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)bit流通過加密(可選項(xiàng))，CRC效驗(yàn)，白化之后發(fā)送出去；RX端接收到數(shù)據(jù)流解調(diào)后校驗(yàn)CRC，解密，得到原始數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)。

500kbps,125kbps 編碼PHY

相對 1M/2M 未編碼PHY的數(shù)據(jù)流，500k PHY, 125K phy多出兩個(gè)部分：FEC(前向錯(cuò)誤糾錯(cuò)) 編碼和模式映射，大家肯定要問如何實(shí)現(xiàn)FEC，我們以編碼PHY的流程來完整講述一下數(shù)據(jù)流的編碼和傳輸過程。

錯(cuò)誤檢驗(yàn) — CRC效驗(yàn)錯(cuò)誤

接收機(jī)首先會檢測接收到的Access Adrees是否正確，如果Access Adrees錯(cuò)誤，丟棄該數(shù)據(jù)包，檢測完Access Adrees，接收機(jī)會去效驗(yàn)整個(gè)數(shù)據(jù)包，判斷24位CRC是否完全吻合。

白化

數(shù)據(jù)白化的目的是在傳輸數(shù)據(jù)遇到連續(xù)000000，或者連續(xù)111111序列時(shí)，進(jìn)行合理編碼，減少傳輸長串重復(fù)序列數(shù)據(jù)。

編碼 — 前向錯(cuò)誤編碼

前向錯(cuò)誤編碼算法使得接收機(jī)有能比恢復(fù)該數(shù)據(jù)包中的傳輸錯(cuò)誤數(shù)據(jù)位，通過把原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼得到新的數(shù)據(jù)流，即使新的數(shù)據(jù)流在傳輸過程中有個(gè)別位數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，F(xiàn)EC解碼也能恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，從而提高了傳輸?shù)恼`碼率。BT5.0使用的如下編碼算法:

G0(a0)先進(jìn)行傳輸，G1(a1)在G0傳輸完成之后傳輸。

模式映射 — Pattern Mapper

模式映射的目的是整理輸出前向錯(cuò)誤編碼數(shù)據(jù)，輸出的方式分為兩種模式(P symbols)，一種P=1(S=2)，一種P=4(S=8)，兩種模式下把前向錯(cuò)誤編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，然后輸出。由下面的表格所示，當(dāng)P=1時(shí)，輸出的data和輸入保持不變，1位輸入，1為輸出；當(dāng)P=4時(shí)，編碼為4位再輸出，所以可以看到P=4(S=8)時(shí)，輸出的data數(shù)據(jù)量會更多，更進(jìn)一部壓縮實(shí)際可以傳輸?shù)挠行ayload數(shù)據(jù)。

得益于前向錯(cuò)誤編碼和模式映射，使得藍(lán)牙數(shù)據(jù)在傳輸過程中，RX端對整個(gè)payload數(shù)據(jù)包解碼糾錯(cuò)能力有不同提升(簡單說即為提高RX端接收靈敏度)，藍(lán)牙5的傳輸距離才有顯著的提升。125kbps使用S=8模式，傳輸距離相對傳統(tǒng)BLE提升4倍，相應(yīng)犧牲的數(shù)據(jù)傳輸率最多，500kbps使用S=2模式，傳輸距離相對傳統(tǒng)BLE提升2倍。長距離模式可以有效可以支持到400-500米范圍內(nèi)BLE通訊，是不是很厲害呢~

以上就是為什么藍(lán)牙5可以做遠(yuǎn)距離傳輸，遠(yuǎn)距離傳輸將會無人機(jī)，遙控賽車，競技手柄，工業(yè)自動化需要200-500范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，目前可以支持藍(lán)牙5遠(yuǎn)距離的芯片有Nordic 52840,TI CC2640R2F, SilconlabEFR32 Blue Gecko，但是可惜的是目前沒有一部手機(jī)支持遠(yuǎn)距離，what a pity...