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[资料分享] 蓝牙®5如何增加低功耗蓝牙的连接距离?

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一粒金砂(中级)

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发表于 2019-1-23 08:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
随着核心规范版本5.0的推出,蓝牙®不再是仅用于个人区域网络(PAN)的无线协议。该规范增加了三个新的数据速率,其中两个是专门为增加低功耗蓝牙的连接距离而量身定制的。这将促进具有良好室内和室外覆盖的网络,非常适合家庭、建筑和工业自动化的物联网(IoT)产品。
但是蓝牙5无线电链路的实际距离是多少?在本视频,中,我们展示了使用新125 kbps编码PHY(PHYsical)格式的两个低功耗SimpleLink™蓝牙CC2640R2F无线微控制器(MCU)LaunchPad™开发套件之间的1.6千米室外距离连接,非常令人印象深刻。那么,为什么我们在CC2640R2F无线MCU数据表中不规定为1.6千米?
微小的芯片撬动大世界:CC2640R2F无线MCU提供多种封装选项,包括2.7mm x 2.7mm芯片级封装(WCSP
不幸的是,事实上却并非那么简单。作为系统开发人员和RF设计人员,我们可以指定影响距离的参数,并且我们可以在受控环境中测量可靠和可重复的结果。但是,在将RF设备带进现实世界中后,“最终结果”的距离会发生显著变化,其中许多反射、障碍物和干扰RF的活动都会成为两个随机变量,这将决定您为设备选择的两个位置之间是否可以建立连接。第一个变量是传输路径损耗,测量接收器接收的发射功率的多少。第二个变量是接收器位置处的实际灵敏度水平。后者由接收器探测到的干扰RF功率量确定。如果不存在干扰,则灵敏度水平由热背景噪声确定,并与数据表中指定的灵敏度相对应。
用于描述RF系统的距离能力的通用术语是链路预算。链路预算是发射功率和灵敏度水平之间的比较(或比率)。在运行的RF链路中,发射器将以指定的RF功率水平发射,该RF功率的(通常很小的)部分将由接收天线接收并馈送到接收器。如果该部分太小,则接收的功率水平将下降到接收器灵敏度水平以下,链路将失败。因此链路预算被定义为发射功率和接收器灵敏度水平之间的比率,或者

链路预算 =

发射功率

RX灵敏度水平


为了方便,链路预算通常以对数标度(dB)表示。输出功率和灵敏度通常以相对于1mW(dBm)的对数标度表示。这意味着
LBdB = 发射功率(dBm - RX灵敏度水平(dBm
很清楚,有两种方式可以提高您的链路预算。您可以:
  • 提高输出功率
  • 提高(降低)接收器灵敏度水平
增加输出功率非常直接,但是其代价是(有时显著地)增加功率消耗,并且最终会是法规合规问题。所有监管法规对RF发射水平和不需要的杂散发射都有限制,当我们增加发射功率时,这两者都会增加。
另一个选项,提高接收器灵敏度,是旨在提供四倍的RF距离的蓝牙SIG采用的蓝牙5所选择的路径。我们选择了这个选项,还为了提供最低的功耗最长距离的低功耗蓝牙解决方案。请注意,蓝牙SIG或任何硬件制造商(包括我们)没有指定实际距离。我们指定的仅仅是基于灵敏度水平的可实现和可测量的改善的理论比率。如果我们能够在完全受控的环境中测量距离,我们将在实践中准确地看到这种改进。但受控的环境是消声的天线室或外部空间(没有其他辐射源)。不幸的是,从经济角度来看,几千米长的天线室和外部空间都不能用于测试距离。
在自由空间中,距离加倍需要链路预算增大四倍(或增加6dB)。这意味着,与2010年以来使用的原始1 Mb/s 蓝牙4.0 LE接收器相比,4倍的距离对于新型蓝牙5长距离数据速率(称为“编码PHY”)需要12dB的灵敏度。
在蓝牙SIG定义和讨论新的编码PHY时,最好的低功耗蓝牙接收器具有大约-93dBm的灵敏度水平。这被用作新编码PHY比较的参考水平,因此新的调制和编码格式将需要适应-105dBm的现实灵敏度水平。这正是新的125kbps编码PHY的作用,通过双向方法实现。最大的改进为数据速率降低到1/8,这意味着对于任何给定的功率水平,每个比特携带8倍的能量。理论上,这使得接收器以低9dB的功率接收信号,并且仍然累积与之前相同的每比特能量。
我们仍然比正在寻找的12dB少3dB。采用编码可以实现最后3dB。-93dBm比较水平(1Mpbs)采用标准差分解调器,基于与先前符号的比较,将每个接收符号(每比特1个符号)确定为“1”或“0”。编码PHY对半相干接收器起到促进作用,八个符号构成1比特,并且相关器可以搜索这些已知符号序列。
CC2640R2F无线MCU今天提供了业界最佳的-103dBm的灵敏度水平,离-105dBm目标仅差2dB。利用CC2640R2F器件的+5dBm输出功率,这提供了令人印象深刻的108dB链路预算。我们正在继续扩展具有更多内存和安全性的SimpleLink CC264x 器件系列,通过这些器件,我们将更接近于由蓝牙 SIG于2017年设定的12 dB目标。
这就是蓝牙5如何改进12 dB灵敏度,与第一个低功耗蓝牙接收器相比,它在理论上在不增加输出功率的情况下提供四倍的改进距离。与此同时,新型CC2640R2F无线MCU通过采用各种技术来提高了1Mbps的灵敏度,从-93dBm提高到-97dBm,更接近相干接收器的性能。
我们使用我们的新型SimpleLink CC2640R2F无线MCU进行户外测试,使用125kbps PHY在我们挪威奥斯陆办公室附近的高度不受控制的环境中,我们能够在1.6千米距离内保持连接。如前所述,虽然实际的距离将根据环境和应用而变化,但是从这个实验中可以看出,蓝牙5肯定比蓝牙4.x显著地增长距离,这打开了用于新应用的可能性。
最后,应该提到的是,功耗仍然是大多数低功耗蓝牙应用的关键。我们在视频中展示的距离演示使用的发射功率水平仅为+ 5dBm,在TX中消耗大约9mA的峰值功率,在RX中消耗6mA的峰值功率。加上CC2640R2F器件非常低的待机电流消耗,这可以实现卓越的室内和室外覆盖的低功耗蓝牙应用,可以使用纽扣电池运行许多年。

此帖出自无线连接论坛


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