BLE 协议栈 – 物理层（Physical Layer）
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BLE 协议栈 – 物理层（Physical Layer）
BLE 物理层解决了最基础的通信问题，比如调制解调、信号放大与滤波等。在实际使用中，几乎不会关注物理层的情况，但是在 BLE 产品测试阶段，要测试频偏，信号强度等项目，只有对物理机制有所了解，才能理解测试项目的目的。
相关内容:
- 调制解调
- 信号放大
- 滤波
关注点：
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测试阶段
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物理特性：频偏、信号强度等
调制 (Modulation)
通信领域，有模拟调制和数字调制，BLE 使用数字调制。
数字调制也分为幅值调制和频率调制，BLE 使用频率调制，该技术名称叫：频移键控（Frequency Shift Keying, FSK），通过改变载波的频率，来表征比特信息。
如果调制波的频率高于载波频率，则表示比特 1，如果低于，则表示比特 0。调制前先将信号通过高斯滤波器做滤波，可以减少带外辐射，收窄信号带宽，从而增加信道容量。对滤波后的信号做 FSK 调制，这种方式叫高斯频移键控（Guassian Frequency Shift Keying, GFSK），也就是 BLE 所采用的调制方式。
调制波与载波频率之差称为频偏。显然正频偏表示比特 1，负频偏表示比特 0。BLE 技术中，频偏大约为 180KHz，才能被准确检测出来。比如，对于中心频率为 2402MHz 信号，比特 1 的信号频率约为(2402 + 0.18)MHz，比特 0 约为(2402 – 0.18)MHz。在 BLE 中，中心频率为 2402MHz 的通信频段称为一个信道。
相关内容:
- 调制方式
关注点：
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测试阶段
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物理特性：频偏、信号强度等
关键词：
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频移键控
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带外辐射
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信号带宽
信道 (Channel)
BLE 有 40 个物理信道，均匀分布在 2402MHz， 2404MHz， … 2480MHz。
这 40 个信道中，37、38、39 三个信道用于发送广播信息，如上图中橘色信道，其他 37 个信道发送数据信息。BLE 在连接时，会在这些数据信道中循环跳动，叫**”跳频“**。比如每次连接事件使用某个数据信道，下一次连接事件则会跳到另一个信道中去。
跳频有一定的算法，比如: f(n+1) = (f(n) + hop) % 37。
hop 是一个跳频参数，假如 hop = 10，本次使用信道 0，那么下一次就使用 (0 + 10) % 37 = 10，即信道 10。为什么要这么复杂，在不同频率间跳来跳去呢？因为 BLE 使用的是免费的2.4G ISM（Industrial Scientific Medical）频段。WIFI 也使用这个频段，可想这个频段非常拥挤，假如 WIFI 信号浓密，BLE 信号就会受到干扰。
BLE 跳频技术，会记录每个信道是否拥挤，假如拥挤则标记为坏道，跳频时候避开该信道，等空闲下来，再移除坏道标记。这样 BLE 通信就总是能够在相对良好的频段内进行。
其中绿色的脉冲为 BLE 信号，红色信号分别是 WIFI、微波炉和无线设备，它们形成了干扰噪声。
相关内容:
- 信道
关注点：
- 广播信道、数据信道
关键词：
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BLE 跳频技术
-
干扰噪声
精度 (Precision)
BLE 芯片外置的 24MHz 的晶振，是射频信号的时钟源。为了保证信号频率的精度，要求晶振的精度一定要高。
晶振的精度到底要多高才能满足使用？
对于 BLE 的信道，中心频率的容限是 ±150kHz，举个例子：使用16MHz 的外部石英晶振为射频提供时钟，16MHz 扩频到 2.4GHz 需要放大 150倍，其误差也将一同放大 150 倍。假如它的误差为 ±50ppm，即 16MHz × ±50ppm = ±800Hz，放大 150 倍后变成±120kHz，这几乎达到 ±150kHz 的频偏限制，因此许多芯片都限制射频晶振的误差要小于 50ppm。
假如使用 24MHz 的晶振，扩频倍数降低，那么相同的误差等级的晶振，将获得更优良的射频频偏参数。（不过16MHz的晶体更便宜和常用）可以推测，使用不同晶振频率，其精度要求也会发生变化。
当获得足够精准的信号频率，还需要足够灵敏的接收机，才能将比特 0 与比特 1 区分开来。接收机灵敏度使用 dBm 来表示，目前市面上各家的 BLE 芯片，接收灵敏度大约在 -90dBm ~ -95dBm 之间。由于距离越远，信号越弱，即接收机的灵敏度越强，则能达到的通信距离越远。
信号的强度取决于发射机的输出功率。输出功率越大越好，但是考虑无线电产品要通过 FCC 等认证，无线信号输出功率不能太大。通常 BLE 芯片的默认输出功率为 0dBm，即 1mW。
不同厂家的芯片可以支持更高的发射功率，比如 3dBm、8dBm 等。射频信号一旦脱离发射机，就要面临穿越空气而造成的损耗。接收机可以获得信号的能量损耗值（RSSI）
路径损耗与通信距离有如下相关性：
path loss = 40 + 25 × log(distance)
于是，可以利用 RSSI 来反向获得距离信息，这个是 BLE 做室内定位的理论基础。
但是 RSSI 极易受到干扰，因此需要获取多个 RSSI 数据，并利用分析算法，甄别出实际的路径损耗。
关注点：
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信号频率的精度
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晶振射频频偏参数
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信号的能量损耗值（RSSI）
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