藍(lán)牙5如何增加低功耗藍(lán)牙的連接距離？

隨著核心規(guī)范版本5.0的推出，藍(lán)牙®不再是僅用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）的無線協(xié)議。該規(guī)范增加了三個(gè)新的數(shù)據(jù)速率，其中兩個(gè)是專門為增加低功耗藍(lán)牙的連接距離而量身定制的。這將促進(jìn)具有良好室內(nèi)和室外覆蓋的網(wǎng)絡(luò)，非常適合家庭、建筑和工業(yè)自動(dòng)化的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）產(chǎn)品。

但是藍(lán)牙5無線電鏈路的實(shí)際距離是多少？在本視頻，中，我們展示了使用新125 kbps編碼PHY（PHYsical）格式的兩個(gè)低功耗SimpleLink™藍(lán)牙CC2640R2F無線微控制器（MCU）LaunchPad™開發(fā)套件之間的1.6千米室外距離連接，非常令人印象深刻。那么，為什么我們?cè)贑C2640R2F無線MCU數(shù)據(jù)表中不規(guī)定為1.6千米？

微小的芯片撬動(dòng)大世界：CC2640R2F無線MCU提供多種封裝選項(xiàng)，包括2.7mm x 2.7mm芯片級(jí)封裝（WCSP）

不幸的是，事實(shí)上卻并非那么簡單。作為系統(tǒng)開發(fā)人員和RF設(shè)計(jì)人員，我們可以指定影響距離的參數(shù)，并且我們可以在受控環(huán)境中測(cè)量可靠和可重復(fù)的結(jié)果。但是，在將RF設(shè)備帶進(jìn)現(xiàn)實(shí)世界中后，“最終結(jié)果”的距離會(huì)發(fā)生顯著變化，其中許多反射、障礙物和干擾RF的活動(dòng)都會(huì)成為兩個(gè)隨機(jī)變量，這將決定您為設(shè)備選擇的兩個(gè)位置之間是否可以建立連接。第一個(gè)變量是傳輸路徑損耗，測(cè)量接收器接收的發(fā)射功率的多少。第二個(gè)變量是接收器位置處的實(shí)際靈敏度水平。后者由接收器探測(cè)到的干擾RF功率量確定。如果不存在干擾，則靈敏度水平由熱背景噪聲確定，并與數(shù)據(jù)表中指定的靈敏度相對(duì)應(yīng)。

用于描述RF系統(tǒng)的距離能力的通用術(shù)語是鏈路預(yù)算。鏈路預(yù)算是發(fā)射功率和靈敏度水平之間的比較（或比率）。在運(yùn)行的RF鏈路中，發(fā)射器將以指定的RF功率水平發(fā)射，該RF功率的（通常很小的）部分將由接收天線接收并饋送到接收器。如果該部分太小，則接收的功率水平將下降到接收器靈敏度水平以下，鏈路將失敗。因此鏈路預(yù)算被定義為發(fā)射功率和接收器靈敏度水平之間的比率，或者

鏈路預(yù)算 =

為了方便，鏈路預(yù)算通常以對(duì)數(shù)標(biāo)度（dB）表示。輸出功率和靈敏度通常以相對(duì)于1mW（dBm）的對(duì)數(shù)標(biāo)度表示。這意味著

LBdB = 發(fā)射功率（dBm） - RX靈敏度水平（dBm）

很清楚，有兩種方式可以提高您的鏈路預(yù)算。您可以：

提高輸出功率

提高（降低）接收器靈敏度水平

增加輸出功率非常直接，但是其代價(jià)是（有時(shí)顯著地）增加功率消耗，并且最終會(huì)是法規(guī)合規(guī)問題。所有監(jiān)管法規(guī)對(duì)RF發(fā)射水平和不需要的雜散發(fā)射都有限制，當(dāng)我們?cè)黾影l(fā)射功率時(shí)，這兩者都會(huì)增加。

另一個(gè)選項(xiàng)，提高接收器靈敏度，是旨在提供四倍的RF距離的藍(lán)牙SIG采用的藍(lán)牙5所選擇的路徑。我們選擇了這個(gè)選項(xiàng)，還為了提供最低的功耗最長距離的低功耗藍(lán)牙解決方案。請(qǐng)注意，藍(lán)牙SIG或任何硬件制造商（包括我們）沒有指定實(shí)際距離。我們指定的僅僅是基于靈敏度水平的可實(shí)現(xiàn)和可測(cè)量的改善的理論比率。如果我們能夠在完全受控的環(huán)境中測(cè)量距離，我們將在實(shí)踐中準(zhǔn)確地看到這種改進(jìn)。但受控的環(huán)境是消聲的天線室或外部空間（沒有其他輻射源）。不幸的是，從經(jīng)濟(jì)角度來看，幾千米長的天線室和外部空間都不能用于測(cè)試距離。

在自由空間中，距離加倍需要鏈路預(yù)算增大四倍（或增加6dB）。這意味著，與2010年以來使用的原始1 Mb/s 藍(lán)牙4.0 LE接收器相比，4倍的距離對(duì)于新型藍(lán)牙5長距離數(shù)據(jù)速率（稱為“編碼PHY”）需要12dB的靈敏度。

在藍(lán)牙SIG定義和討論新的編碼PHY時(shí)，最好的低功耗藍(lán)牙接收器具有大約-93dBm的靈敏度水平。這被用作新編碼PHY比較的參考水平，因此新的調(diào)制和編碼格式將需要適應(yīng)-105dBm的現(xiàn)實(shí)靈敏度水平。這正是新的125kbps編碼PHY的作用，通過雙向方法實(shí)現(xiàn)。最大的改進(jìn)為數(shù)據(jù)速率降低到1/8，這意味著對(duì)于任何給定的功率水平，每個(gè)比特?cái)y帶8倍的能量。理論上，這使得接收器以低9dB的功率接收信號(hào)，并且仍然累積與之前相同的每比特能量。

我們?nèi)匀槐日趯ふ业?2dB少3dB。采用編碼可以實(shí)現(xiàn)最后3dB。-93dBm比較水平（1Mpbs）采用標(biāo)準(zhǔn)差分解調(diào)器，基于與先前符號(hào)的比較，將每個(gè)接收符號(hào)（每比特1個(gè)符號(hào)）確定為“1”或“0”。編碼PHY對(duì)半相干接收器起到促進(jìn)作用，八個(gè)符號(hào)構(gòu)成1比特，并且相關(guān)器可以搜索這些已知符號(hào)序列。