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TI公司供稿 借助核心技術規格5.0版本，Bluetooth不再作為一個只用于個人局域網絡（PAN）的無線協議存在。在這個技術規格中新增加了3個數據速率，其中兩個是專門定制的，用來提高Bluetooth低能耗連接的范圍。通過良好的室內和室外覆蓋率，該提升可以使網絡變得更加便捷，而且非常適用于住宅、樓宇和工業自動化中所使用的物聯網（IoT）產品。 不過，Bluetooth 5無線鏈路的實際范圍到底是多少？通過使用全新的125kbps編碼物理層 （PHYsical）格式，TI此前曾演示過基于兩個SimpleLink Bluetooth低能耗CC2640R2F無線微控制器（MCU）LaunchPad開發套件之間1.6km的室外范圍，而這個范圍實在是令人印象深刻。那么，我們為什么不在CC2640R2F無線MCU數據表中明確提出1.6km范圍的技術規格呢？ 
來之不易的微型芯片：CC2640R2F無線MCU提供數個封裝選項，其中包括一個2.7mm x 2.7mm的芯片級封裝（WCSP） 不巧的是，事情往往沒那么簡單。作為系統開發人員和RF設計人員，我們能夠明確影響范圍的參數，同時，我們還可以利用可靠且可重復的結果在受控環境中測量這些參數。但是當在真實環境中使用RF器件時，這個由測量得出的“最終結果”卻會出現顯著的差異。在這個真實環境中，多重反射、障礙物以及對RF活動的干擾將會形成兩個隨機變量，這兩個變量將決定用戶是否能夠在為設備選擇的兩個定位之間建立起一個鏈路。第一個變量是傳輸路徑損耗，這一參數測量的是接收器所獲得的發射功率；第二個變量是接收器所在位置的實際靈敏度等級。后者取決于接收器周圍有多少干擾RF功率。如果沒有干擾的存在，這個靈敏度等級則由熱背景噪聲決定，并且將與數據表中規定的靈敏度相對應。 一個用來描述RF系統覆蓋范圍能力的常用術語是鏈路預算。鏈路預算是發射功率與靈敏度等級之間的比或比率。在一個正在運行的RF鏈路中，發射器將以一個指定的RF功率級進行發送，而這個RF功率的一部分（通常情況下非常微小）將被接收天線接收，并且饋入到接收器當中。如果這部分過于微小，那么接收到的功率級將下降到接收器靈敏度等級以下，這條鏈路也將出現故障。因此，鏈路預算被定義為發射功率與接收器靈敏度等級之間的比率，或者用公式表達為
為了方便起見，鏈路預算通常以對數刻度（dB）為單位進行表示。輸出功率和靈敏度通常被表示為相對于1mW（dBm）的一個對數刻度。這意味著
從上述等式中你可以清楚發現兩種提升鏈路預算的方法：
另一個選擇是在Bluetooth 5以提供4倍的RF范圍被采用時，提高接收器的靈敏度。這是藍牙技術聯盟（Bluetooth SIG）選擇的一條途徑。我們之前也采用過這種方法，以最低功耗來提供具有最長范圍的Bluetooth低能耗解決方案。需要注意的一點是，藍牙技術聯盟或任何一家硬件廠商包括TI，都沒有規定實際的范圍。我們規定的只是基于靈敏度方面切實可行的、對改進程度可測量的一個理論上的比率。如果我們能夠在一個完全受控的環境中來測量這個范圍，我們就將在實際應用中看到精確改進后的效果。但是一個受控環境要么是一個消音天線室，要么是外部空間（沒有其它的輻射源）。不幸的是，在測試范圍方面，無論是千米長的天線室，還是外部空間，在經濟上都是不可行的。 在自由空間內，范圍的加倍需要鏈路預算提升四倍，或者增加6dB。與2010年左右就已出現的初代1M/s Bluetooth 4.0 LE接收器相比，對于全新Bluetooth 5長距離數據速率來說，范圍提升四倍意味著將靈敏度提高12dB。 當藍牙技術聯盟對全新編碼物理層進行定義和討論時，最好的Bluetooth低能耗接收器的靈敏度等級大約為-93dBm。這曾經被用作全新編碼物理層的參考基準，所以全新的調制和編碼格式也將需要適應真實環境中的靈敏度等級，也就是-105dBm。這也正是全新125kbps編碼物理層所能實現的功能，而它是通過一個雙向方法做到的。最大的改進僅僅是數據速率被減少至1/8，而這意味著對于任意指定的功率級，每個位所攜帶的能量要比之前多八倍。理論上，這使得接收器能夠在功率級低9dB的情況下接收信號，并且仍像之前一樣，每一位積聚同樣多的能量。 對于我們所需要的12dB，我們仍然有3dB的缺口。這最后的3dB可以通過采用的編碼來實現。這個-93dBm比較級（對于1Mbps來說）假定了一個標準差解調器，根據與之前符號的比較，解調器中每一個接收到的符號（每個位1個符號）被確定為“1”或“0”。這個編碼物理層使半相干接收器的運行更加便捷，其中的8個符號組成1位，而相關器可以搜索這些已知的符號序列。 目前，CC2640R2F無線MCU可以提供達到-103dBm的業內最佳靈敏度等級，只比-105dBm的目標少2dB。借助CC2640R2F器件所提供的+5dBm輸出功率，這款器件提供了高達108dBm的鏈路預算。TI不斷擴展SimpleLink CC264x器件系列，使它們具有更多的存儲器和更高的安全性，而借助這些器件，我們離藍牙技術聯盟在2017年設定的12dB的目標更進了一步。 以上就是在Bluetooth 5中將靈敏度提升12dB的方法，以及從理論上講，相對于第一個Bluetooth低能耗接收器，如何在不增加輸出功率的情況下將它的范圍提升四倍。與此同時，通過采用不同的技術工藝，這款全新的CC2640R2F無線MCU已經將1Mbps靈敏度等級從-93dBm提升至-97dBm，這就使得其在性能方面與相干接收器的距離又拉近了一點。 在TI位于挪威奧斯陸辦公室附近的一個高度不受控的環境中，我們已經使用包含125kbps PHY的全新SimpleLink CC2640R2F無線MCU進行了一個戶外范圍測試，在這個環境中，我們能夠保持一個范圍超過1.6km的連接。 雖然實際范圍會如之前所述，隨著環境和應用的變化而改變，但這個實驗的主要成果在于，與Bluetooth 4.x相比，Bluetooth 5必然能夠大幅提高范圍，而這也使那些激動人心的全新應用成為可能。 最后，必須提到的一點是，功耗仍然是大多數Bluetooth低能耗應用所關心的主要問題。我們在演示中所使用的發射功率級只有+5dBm，發射時的峰值電流大約9mA，接收時這個值達到6mA。與CC2640R2F器件的極低待機流耗組合在一起，對于Bluetooth低能耗應用來說，這可以實現巨大的室內和室外覆蓋率，并且可以由一塊紐扣電池供電運行數年。 在使用由一個小紐扣電池供電，并且能夠與住宅、樓宇或工廠的任何一個角落進行數據往來的Bluetooth低能耗連接時，技術的創新是永無止境的。 預計在2017年第二和第三季度發行的軟件開發套件（SDK），支持針對SimpleLink CC2640R2F無線MCU的全新Bluetooth低能耗標準。而這款SimpleLink CC2640R2F無線MCU已經從2016年12月初就已投入大規模生產。 如需立即著手開發您的Bluetooth低能耗應用，敬請訪問： l 訪問TI的SimpleLinkBluetooth低能耗CC2640R2F無線MCU產品文件夾。 l 訂購Bluetooth低能耗LaunchPad套件，快速啟動您的開發工作。 |
