【導讀】藍牙5.0在低能耗(LE)方案中增加了速度和靈活性。由于設備收發數據的距離提高至原來的4倍，家居自動化和信息安全產品設計人員在產品設計中可望覆蓋整個家、整棟樓或整個社區。功能增加的同時，也帶來了新的測試需求，特別是在物理層。
藍牙5.0在低能耗(LE)方案中增加了速度和靈活性。它的數據吞吐量是4.2版的兩倍，最大突發速率從1Mb/s一躍提升到2Mb/s。為提高其通用性，現在可以降低帶寬使距離提高至原來的4倍，同時保持類似的功率要求。由于設備收發數據的距離提高至4倍，家居自動化和信息安全產品設計人員在產品設計中可望覆蓋整個家、整棟樓或整個社區。功能增加的同時，也帶來了新的測試需求，特別是在物理層。
藍牙5.0更高效地利用日益擁擠的2.4GHz頻段中的廣播通道，完成任務所需的廣播時間更少。由于改善了廣播通道，開發人員可以創建基于體驗的應用，在物理世界和虛擬世界之間搭起一座橋梁。
據Bluetooth SIG發布的數據，藍牙5.0將給廣告傳輸增加多得多的容量。這意味著它可以把更多的信息傳送到其它兼容設備，而不會形成實際連接，從而加快交互速度。它擴展了廣告，把廣告數據從三種傳統廣告通道卸載到全套數據通道，以實現更多的頻率分集，如圖1所示。較大的255字節數據包實現了新的閾值功能，如資產跟蹤，同時能夠向下兼容為之前的藍牙規范開發的產品。
圖1：在2.4GHz頻段中，藍牙5.0的廣告通道落在Wi-Fi通道之間。
并不是每個應用都要求相同的距離、速度或廣播功能。藍牙5.0讓產品開發人員能夠對自己的實現方案做出最好的選擇。由于廣播消息容量提高至v4.2的8倍，同時支持更多的數據包(從31字節變為255字節)，Bluetooth SIG估計藍牙5.0現在可以用于超出一個房間、甚至超出一座房子的物聯網(IoT)連接。他們預測，到2020年，在所有物聯網設備中，33%以上的設備將內置藍牙功能。
藍牙物理層變化
藍牙5.0在LE標準中新增了兩種模式。第一種模式的符號率是現有的1Msps低能耗標準的兩倍，稱為LE 2M PHY(以前的標準現在稱為LE 1M PHY)。LE 1M和LE 2M PHY都屬于所謂的LE未編碼物理層標準，因為它們內部都沒有糾錯編碼階段。
第二種模式稱為LE編碼物理層標準。LE編碼物理層標準有兩種編碼方式：S=8和S=2，其中S是每個位的符號數。除循環冗余校驗(CRC)以外，還有卷積編碼及映射，提高了冗余度，減少了出錯的機會。結果，編碼的信息可以傳送更遠的距離，因為在需要時可以進行檢測和校正。表1匯總了不同的調制和編碼方式以及得到的數據速率。
表1：藍牙5.0物理層調制和編碼方式以及得到的數據速率。
圖2和圖3顯示了低能耗編碼方式與未編碼方式在處理數據凈荷時有哪些不同，這兩者都要進行CRC生成和白化。對于LE編碼物理層標準，凈荷要經過前向糾錯(FEC)和碼型映射。卷積FEC編碼器使用非系統、非遞歸速率½代碼，限定長度K=4。編碼器為每個輸入位生成兩個輸出位，并經過卷積FEC編碼器。編碼器生成的兩個輸出位進一步映射。如果S=2，那么它們不會有任何變化，而對S=8，0映射到0011，1映射到1100。這是為LE編碼物理層標準S=8中每一個輸入位創建8個位的方式。
圖2：LE未編碼物理層的凈荷位處理。
圖3：LE編碼物理層標準中的碼流處理增加了許多LE未編碼物理層標準中不要求的步驟。
LE編碼物理層標準規定的包格式也用于廣告通道包和數據通道包。整個包使用1Msym/s的符號率傳送。每個包都由前置碼、FEC碼組1和FEC碼組2組成，如圖4所示。
圖4：藍牙5.0 LE編碼包的內容。
前置碼不進行編碼。FEC碼組1由三個字段組成：接入地址、編碼指示符(CI)和TERM1。碼組采用S=8編碼方式，最終符號數量始終相同。
CI字段決定了FEC碼組2使用哪種編碼方式。FEC碼組2由三個字段組成：PDU、CRC和TERM2。它們采用S=2或S=8編碼方式，具體視CI字段值而定。CI字段只是一個兩位字段，用來區分S=2方式和S=8方式。
協議數據單元(PDU)的長度在2~256字節之間。因此，最小的包長度是462µs(如果把S=2最后一行中的所有值加起來，那么PDU僅2個16位字節)，最大包長度是17040µs (由S=8獲得，PDU為257字節)。
藍牙5.0測試
被測器件需要進行大量的測量，以確定其在發送側滿足藍牙規范，下面對此進行了詳細的介紹。可使用配備藍牙5.0分析軟件的中檔頻譜分析儀執行這些測試。
帶內輻射：這項測試檢驗藍牙傳輸的帶內頻譜輻射是否落在極限范圍內。極限值已經修改，以適應LE 2M PHY。LE編碼物理層標準的極限以1Ms/s運行，其極限行與LE 1M PHY相同。80MHz的整個藍牙頻段被分成80個通道，每個通道寬1MHz，然后計算每個頻段中的積分功率。設備在中心頻率為M的RF通道上傳送信息，1MHz帶寬的鄰道的中心頻率用N表示。對LE 1M，偏置2MHz的頻段中的積分功率應小于-20dBm，偏置3MHz或以上頻段中的功率應小于-30dBm。對LE 2M，極限比較從任一側的4MHz頻率偏置開始(而不是2MHz)。對偏置4MHz和5MHz的頻段，積分功率預計小于-20dBm；只有對超過6MHz的偏置，才會設定<-30dBm的更嚴格的要求。
在圖5中，大家可以看到，每1MHz會計算LE 2M功率，用藍線表示。大家還會注意到，標準建議了三個極限：±4MHz、±5MHz和±≥6MHz。
圖5：每1MHz計算LE 2M功率，用藍線表示。
調制特性：藍牙采用的調制方式是高斯頻移鍵控(GFSK)，帶寬位周期乘積BT=0.5。調制指數必須位于0.45至0.55之間。這一測試檢驗已知測試碼型的頻域是否位于指定極限范圍內。測量使用特定測試碼型。在以前的藍牙版本中，使用的碼型是0x0F(00001111)和0x55(01010101)，然后用標準規定的方式計算每個位間隔中的頻率偏差。在藍牙5.0中，LE 2M PHY測試通過/失敗的極限已經變化，因為2Msps調制方式的頻率偏差不同。LE 2M PHY的這些極限翻了一番。對LE編碼規范(S=8)，測量碼型不同。第一個碼通過全部賦值1來生成。在編碼和映射后，碼型變成00111100。如果編碼器和映射器的輸入碼型全是0，則生成第二個碼型00110011。標準還規定，這個測量從第33個符號開始。
穩定的調制特性：這是一項新指標，以前的藍牙測試規范中是沒有的。LE設備配備擁有穩定調制指數的發射器，可以通過功能配套機制把這種情況告訴接收的LE設備。這些發射器的調制指數在0.495和0.505之間。如果適用于其支持的所有LE發射機物理層，那么設備應只指明發射機具有穩定的調制指數。如果發射機沒有穩定的調制指數，但仍在理想的調制指數0.5的1%裕量范圍內，那么我們稱其有標準調制指數。
頻率偏置和漂移：通過在由1和0碼型交替的指定間隔中求頻率偏差平均值，可以計算頻率偏置。以前低能耗標準中的間隔時長為10位或10µs。這種頻率偏置在前置碼和凈荷中計算。然后計算這些頻率偏置在50µs間隔中(相距5個間隔)的漂移。對LE 2M PHY，間隔仍為10µs，但由20位組成，而不是10(因為是2Msps)。漂移測量仍分5組進行或相距5個間隔時長。對LE編碼物理層標準，會選擇16位間隔，而不是10，然后相距3個間隔時長(48µs)計算漂移，因為碼型是00110011。
20dB帶寬：測量帶寬，直到頻譜下跌到比峰值功率低20dB的點。
輸出功率：計算整個包的功率。
深入藍牙分析：除上述測量外，一些藍牙分析軟件提供了與測試信號有關的額外信息。這些分析可以幫助您調試和優化目標應用的性能，包括：
• 解碼后的包信息，即已經解碼的所有包頭和包信息；
• 所有測量的摘要或截圖及解碼后的包信息；
• 多個顯示畫面，顯示頻率偏差隨時間變化，在調試或解釋調制圖和漂移測量時使用；
• 漂移表，顯示10位間隔中計算的頻率偏置及50µs中的漂移(相距5個間隔時長)；
• 星座圖、眼圖和符號表顯示。
實現
在藍牙應用中使用實時頻譜分析儀也很有用，它可以顯示隱藏在寬帶噪聲下面的問題，而用其它儀器是看不到這些問題的。圖6 (右)顯示了掃頻分析儀在40MHz掃描中看到的東西，以及實時頻譜分析儀(左)看到的東西。
圖6：實時頻譜分析儀可以顯示傳統掃頻分析儀漏掉的隱藏問題。
藍牙5.0較Bluetooth 4.2 LE作出了全面改進。通過密切關注測試測量戰略，您設計的設備將能夠利用新標準提供的每一個優勢。
作者：Dorine Gurney，泰克公司
本文轉載自電子技術設計。
推薦閱讀：
