蓝牙5.0：速度更快、距离更远以及全新的射频测试

shuszhao

对于短距离、低功耗和低数据速率的应用，最常见的选择是ZigBee、Z-Wave和蓝牙低功耗技术。随着蓝牙技术的改进，无线链接将变得更具吸引力。蓝牙5.0增加了延长距离和提高了数据吞吐量的能力。它将能够在提高可靠性的同时保持低功耗的网状网络。本文将会介绍蓝牙 5.0 中引入的关键物理层增强、实际蓝牙 5.0 设备上的射频测量以及射频测量技术和挑战。

没有一种无线技术能够适合所有物联网(IoT)应用。对于短距离、低功耗和低数据速率的应用，最常见的选择是ZigBee、Z-Wave和蓝牙低功耗技术。随着蓝牙技术的改进，无线链接将变得更具吸引力，因此在此类物联网应用中的使用也会增多。
蓝牙5.0增加了延长距离和提高数据吞吐量的能力。它将能够在提高可靠性的同时保持低功耗的网状网络。现在来了解一下蓝牙5.0中引入的关键物理层增强、实际蓝牙5.0设备上的射频测量以及射频测量技术和挑战。


更长距离的改进

许多物联网设备都是由电池供电的。蓝牙5.0可以让大部分的低功耗应用在不增加发射器输出功率的情况下，达到足够远的距离。它是通过为用户数据定义较低的数据速率来实现这一目的。此外，对这些数据进行编码将允许在接收器处进行纠错，从而提供更高的灵敏度和更远的距离。
蓝牙4.0使用1Mbps数据速率，但蓝牙5.0提供125kbps 和500kbps的全新数据速率。500kbps使用两倍编码增益，用编码位替换一半用户数据。使用125kbps时，已发送数据中只有1/8是用户数据，其余7/8是编码位。这种编码方法与搜索模式相关性的接收器改进功能相配合，能够提供12dB编码增益的同等效果，可有效提高接收器的灵敏度，并且理论上最高可将距离延长至四倍。许多物联网应用只需要极低的数据速率，因此数据速率与范围的权衡往往是可以接受的。对于不受电池电量限制的应用，蓝牙5.0规范还允许更高的发射功率。目前的蓝牙4.0规范允许的最大值为+10dBm，而蓝牙5.0中的相应值则已增加到+20dBm。
这些距离改进将使蓝牙5.0在现有应用中更加可靠，在更长距离的应用中更加合适，例如家庭自动化和安全应用。图1所示为采用125kbps、500kbps、1Mbps和2Mbps数据速率时蓝牙5.0设备的误包率(PER)曲线，证明了使用较低数据速率可提高接收器灵敏度。

                               
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图 1：BT5 设备上允许的每种数据速率对应的PER曲线曲线显示，对于最低数据速率(125kbps)，只需最低功率(约-102dBm 或更低)即可保持接近零的PER。在2Mbps时，所需的功率升至约-90dBm。
蓝牙5.0并非像WiFi和蜂窝技术一样针对真正的高数据速率应用而设计，但在某些情况下，需要用到较高的数据速率。除现有的1Mbps数据速率外，蓝牙5.0还引入了2Mbps数据速率，适用于无线固件更新等应用。这一较高数据速率是通过增加符号率来实现的。
蓝牙使用一个非常简单的调制方案，每个符号1位。通过将符号率增加到2M个符号/秒，峰值数据速率现在达到2Mbps。使用这种较高的符号率时没有编码选项，因此它最适合较短距离和不经常使用的情况(例如软件更新)。这种较高的符号率会增加频谱的使用。目前的蓝牙4.0使用约1MHz的带宽，而蓝牙5.0中使用2Mbps，该速率使带宽增加到接近2MHz。蓝牙低功耗通道以2MHz增量为间隔，因此，增加后的带宽仍然适合现有的已定义频率通道。
图 2 的右侧显示了来自蓝牙5.0设备的2Mbps突发的射频测量。数据包数据速率和调制频偏是其处于等效1Mbps测量中时的两倍。

                               
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图 2：2 Mbps 捕获和测量的图形显示给出了数据通过 BT5 连接传输时调制频偏随时间的变化


BT5信标的数据包更大

使用蓝牙5.0时，信标设备预计将更加普遍。这些信标不仅能够覆盖更远的距离，传输的数据量也明显多于使用蓝牙4.0时的情况。在蓝牙低功耗技术中，信标使用一种称为广播数据包的方法以一致的间隔传输短数据突发。使用蓝牙4.0时，有三个专用的“广播通道”，每个通道可以在每个数据包中传输最多31个字节的数据。这对于一些应用来说相当有限，而蓝牙5.0使用新的广播方案解决了这个问题。
在蓝牙5.0中，设备将继续在三个专用广播通道上传输，但是这些相对较短的传输中的每一个传输均变成一个指针，指向所包含数据明显增多的其他数据通道。想象一下需要在多个物理参数上传输数据的医疗设备。您无法在31个字节的数据中获得太多信息，但使用蓝牙5.0中定义的新方法，现在可以传输数百个字节的数据，而不需要经历将两个设备配对和建立完整连接的复杂过程。


射频测试

对于射频测试，蓝牙5.0将继续使用由蓝牙特别兴趣小组 (SIG) 定义的直接测试模式(DTM)。在DTM下，待测设备通过有线通信方式(如USB或通用异步收发器(UART))进行控制。二进制命令发送到设备以开启发射器或接收器，具体取决于正在执行哪种类型的射频测试。通过将扩展引入当前DTM命令，蓝牙5.0遵循相同的方法进行操作，因此现在可以指定125kbps、500kbps、1Mbps或2Mbps的数据速率。
上述每种数据速率都采用不同的编码和调制。采用新的较低数据速率时，设计人员有望看到接收器灵敏度显著提高，一些先进设备的接收器灵敏度甚至优于-100dBm。这种改善的性能会对设备接收器提出额外的要求，以降低本底噪声和减轻其他外部源引起的灵敏度劣化。
在发射器端，采用125kbps、500kbps或1Mbps传输速度时的物理层差异极小。这些速度使用1M个符号/秒调制，因此物理层上的信号均具有相同的射频特性。制造商将需要验证所有不同的速率(作为设计验证的一部分)，但是在制造过程中，仅以1Mbps和2Mbps的数据速率进行发射器测试便足够。
为了设置和测量这些新功能，芯片组制造商将实施新的DTM命令。图 3(由BT SIG提供)给出了现在可实现新数据速率的DTM命令。这些测试对于BT SIG认证必不可少，因此设计人员可以认为所有主要芯片组制造商都将实施新的DTM命令，这有助于简化工程设计和制造过程中的射频测试。

                               
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图 3：蓝牙 5.0 增加了可实现新数据速率的直接测试模式命令来源：蓝牙 SIG。


网状网络

网状网络允许设备进行长距离通信，因为网络中的每个设备都可以充当中继。ZigBee和Z-Wave均包括网状网络，可提高长距离通信的可靠性。举例来说，假设您想控制一盏安全灯或者读取一个室外温度计的读数，但是因为距离太远而无法直接通信。而使用蓝牙5.0网状网络便可以实现，您的手机只需与网络中最近的设备通信，然后将消息转发到您尝试与之通信的设备，也可以从该设备转发消息。在蓝牙技术中实现这一目标的关键挑战将是来自多个供应商的设备的互操作性。如今，许多蓝牙应用采用1:1形式，这意味着设备只需要与几台先进的智能手机正常配合使用，即可覆盖大多数用户应用。借助旨在用于网状网络的蓝牙5.0设备，设计人员需要通过几十个设备来验证性能，确保在多供应商环境下的可靠性。
蓝牙5.0对消费者和物联网供应商十分有利；预计其在低功耗、低数据速率、短距离应用中的使用将明显增多。互操作性和参数测试将面临新的挑战，但是设备供应商已经在加紧研发，测试解决方案现已能够辅助早期设计。

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