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BLE入门谈:从空中数据收发理解BLE(上)

BLE是Bluetooth Low Energy的缩写,即低功耗蓝牙,是蓝牙规范的一个子集,从蓝牙4.0版本开始引入。BLE技术成功地适应了物联网时代那些需要少量无线数据传输,并对功耗很敏感的设备的需求。

BLE是Bluetooth Low Energy的缩写,即低功耗蓝牙,是蓝牙规范的一个子集,从蓝牙4.0版本开始引入。BLE技术成功地适应了物联网时代那些需要少量无线数据传输,并对功耗很敏感的设备的需求。目前已经有为数不少的 MCU器件将BLE无线收发电路集成于片内,还保持了MCU的低功耗特性,实现了单芯片的物联网解决方案。

  

近几年我通过论坛的活动,陆续接触过NXP、ST、TI、ON Semi支持BLE的MCU产品,深感BLE的门槛不低。要设计一个充分发挥BLE优点的作品,需要对这一技术有比较全面的了解。学习理解BLE也需要一个过程,如果每次仅仅是把现有的例子拿来改一改,获得的经验很有限。从什么切入点开始学习比较好?也许不同的人习惯不同。我打算从MCU硬件工程师的角度提供一些参考,就有了这篇文章的构思。

在MCU上使用BLE,目的不外乎发送数据,或者是接收数据。为什么BLE入门难?对比下最简单的:UART、SPI,和稍微复杂一点的I2C、CAN这些——它们都是有线连接(废话),发送方对接收方有一个单独(至少在传输时候是独占)的、可靠(正常情况下发出1/0就收到1/0)的数据通道;并且数据传递之前主机先发出请求,或者数据自身就带有请求标志。再看BLE,数据通过无线电波发出,接收者要判断天线收到的电波里面有没有给自己的信号,再从有效的信号里解调出数据……复杂程度已经不可比拟了。虽然芯片上的无线功能模块已经把调制解调工作做了,但它的工作指令仍然是软件下达的。

BLE要用无线电波传递信息,就是将数据编码,调制到射频信号中发射。通俗地讲BLE使用的电波频率是2.4G,也就是和Wi-Fi、无线键盘鼠标, 还有Zigbee、Thread等协议使用的2.4GHz一个概念。那么问题来了,这些信号会不会互相干扰?

  

首先要明确2.4GHz这个说法指的是一个频段而不是单一频率(全称2.4GHz Industry Science Medicine band),覆盖从2400MHz到2483.5MHz, 是一个用于短距离,无须执照使用的开放频段。还必须明确:任何带有信息的信号传递都要占用一定的带宽,不可能是一个单一频率。单一的频率只能是一个永久恒定的正弦信号——它无法携带信息。例如,无线电广播所指的频率是其信号的中心频率。AM(调幅) 639kHz的中国之声,实际信号带宽是它广播音频带宽的2倍。

BLE在这个2.4GHz频段安排了40个信道(channel),中心频率从2402MHz开始,以2MHz为间隔。如下图上半部分:

BLE入门谈:从空中数据收发理解BLE(上)
上图的下半部分是2.4G Wi-Fi的信道占用频带示意,注意Wi-Fi的不同信道频带就很可能存在交叠。Wi-Fi和BLE整体的频率覆盖是重叠的。至于不同的2.4GHz无线设备是否相互干扰,要看实际通信的电波的能量分布:以时间为第一维度,以频率为第二维度看,只要不交叠,就不会产生干扰;但即使存在部分交叠,不严重的干扰并不损害被编码的数据;干扰的可能性总是存在的,各种无线协议还需要校验和重传机制来保证数据完整性。

  

一个BLE设备,在任一时刻,只能选择40个信道之中的一个进行发射或者监听。发射或者试图监听的载波频率,就是对应信道的中心频率。

BLE使用的调制方式叫做GFSK,这是FSK调制的一个改进形式。FSK (Frequency Shift Keying) 是一种简单的调制的:就是将输出信号频率从2N个频率中根据调制编码进行选择切换,最简单是1-bit调制,称为2-FSK(本文不讨论其它的)如下图所示:

BLE入门谈:从空中数据收发理解BLE(上)

图上红线代表编码数据,蓝线是输出信号波形。注意调制后信号的瞬时频率改变发生在编码值改变的时刻。

FSK调制的一个应用是用于音频电话线路的调制解调器(Modem),用两个方向的数据bit流分别调制两个不同的单音,如下图所示。在线路一端,发出1170Hz表示0, 发出1270Hz表示1;线路另一端发出2025Hz表示0,发出2225Hz表示1.

BLE入门谈:从空中数据收发理解BLE(上)

我写了一段MATLAB程序模拟这样的调制波,将生成的wav文件从电脑播放出来就能感受FSK的频谱了。

FS=48000;

Tt=10;

t=0:FS*Tt-1;

f_center=1170; %2125;

f_shift=100;

baud=300;

pe0=2*pi/FS*(f_center-f_shift);

pe1=2*pi/FS*(f_center+f_shift);

s=zeros(1,FS*Tt);

c=s;

p=0;

enc_one=0;

for k=1:FS*Tt

s(k) = 0.9*sin(p);

c(k) = enc_one;

if enc_one

p = p+pe1;

else

p = p+pe0;

end

if mod(k,round(FS/baud))==0

if rand>0.5, enc_one=0; else enc_one=1; end

fprintf(''%d'',enc_one);

end

end

fprintf(''n'');

plot(t,s,t,0.5*c-1.5,''r'');

set(gca,''YLim'',[-1.6 1]);

wavwrite(s,48000,16,''fsktone.wav'');

  

将模拟的modem FSK (300bits/s) 调制波进行FFT分析画图,中心频率1170Hz和2125Hz的载波用不同颜色表示:

BLE入门谈:从空中数据收发理解BLE(上)

FSK调制的实现简单在于只需要用一个开关信号控制振荡器,让振荡器在两个工作频率之间二选一,输出就是FSK调制波。从上面这个频谱分析图可以看出,FSK输出波形的频率成分能量最集中的那段也有一定跨度,并非只震荡器的“两个频率”。距离中心频率远了之后能量分布逐渐减少,但仍可能干扰别的信号。

BLE使用的GFSK调制,前面加个G字母代表Gaussian, 是让控制振荡器频率的信号波形先通过一个高斯型低通滤波器,让跳变沿有个平缓的过渡。也就是说,GFSK调制器虽然也是两个基本振荡频率,但切换过程是平滑的。

BLE入门谈:从空中数据收发理解BLE(上)

GFSK调制比FSK调制改善了频谱的宽度,也就是频带的利用效率提高了。BLE使用GFSK调制,基本数据速率是1Mbps, 也就是假若持续发射的话一秒可以发送一百万个0或者1. BLE 5.0规范增加了2Mbps选项。

  

选择40个信道中的一个,通过GFSK,BLE就能将一串0/1发送到空中去。这40个信道中有三个要单独拿出来,编号是37、38、39,它们是专门用于advertising(若译作“广播”有些偏,因为无线电发射本来就是广播行为,接收机都能收到)。其余37个信道用于建立连接之后的通信。

  

顺便再提一下,BLE与经典蓝牙(常见于蓝牙音箱、耳机)是不能兼容,不能相互通信的。BLE并不是传统蓝牙的简化版本,在信道划分上就有所不同,从数据格式到上层协议都差异明显。现在主流的智能手机是既支持经典蓝牙又支持BLE的,我们在提及蓝牙概念的时候要注意区分。

BLE的数据发送是以数据包(packet)为单位进行的,一个数据包就是一串有格式的0和1,经GFSK调制成某个信道上的载波,再被接收机解调还原(这当中其实还有两个步骤分别叫做whitening和de-whitening,但不改变数据长度和功能,就姑且忽略了)。如下图,一个原始BLE数据包由4段组成:头部是8-bit Preamble,用于同步,然后是32-bit的Access Address (后面再看它的作用),接着才是数据包内容的payload,最后跟着24-bit的CRC校验值。

BLE入门谈:从空中数据收发理解BLE(上)

接收状态的BLE设备需要在同一信道上监听,才有可能收到这个数据包。接收方还需要知道数据包长度才能进行CRC校验,包长度是包含在PDU段内的。包的类型不同,PDU的具体格式也不同。

信道37、38和39用于advertising, 这是BLE从设备用来表示自己存在的三个信道,也是主设备用来扫描和发起连接用的。在这三个信道中,数据包格式如下图:

BLE入门谈:从空中数据收发理解BLE(上)

Advertising信道中的数据包类型有7种,由PDU header字段的PDU Type域决定。包长度信息是header字段的Length域。根据包类型不同,Payload的内容也不同。ADV_IND, ADV_NONCONN_IND, ADV_SCAN_IND和ADV_DIRECT_IND类型的包是从设备按照自己的间隔发出来的,其中AdvA数据字段是自己的地址(手机上的BLE扫描工具看到的就是这个地址),AdvData数据字段提供其它信息比如设备名称、厂商代码等,还可以包括温度传感器数据这样的自定信息。ADV_DIRECT_IND这个类型要特殊一点,它是给指定的主设备发起连接用的,不附加不必要的数据。

  

ADV_IND和ADV_SCAN_IND类型的包被主设备收到后,主设备可以马上发送SCAN_REQ包,请求扫描这个设备,然后从设备再以SCAN_RSP包回应,提供补充数据(ScanRspData)。

  

只有当主设备要发起连接时,才会对从设备发送的包(仅ADV_IND和ADV_DIRECT_IND型有效)以CONNECT_REQ包回应。这样,主从设备之间就算建立起了连接,接下来将在另外的37个信道中进行信息交换。

刚提到过的从设备advertising有自己的间隔,这由BLE的API中advInterval参数(就是“隔多长时间广播一次”的意思)决定。但是,如果两个设备的advInterval参数刚好一样,就有可能碰巧每次都同时广播,相互干扰。为了缓解这个问题,BLE规定实际两个advertising事件之间的间隔还要加上一个随机的延迟,如下图:

BLE入门谈:从空中数据收发理解BLE(上)

这里的间隔越短,其它条件不变的话,设备越容易被发现。当然,付出的代价是耗电也增加。前面说了用于advertising的信道有3个,通常主设备也会在这三个信道上轮流监听,因此,一个advertising事件一般来说是在三个信道上分别发送一个数据包。这么做可以防止一个信道被干扰了就无法使用的情况(注意信道37、38和39的频率并不是接近的)。下面是一个示意图,其中38信道上主机进行了一次扫描。

BLE入门谈:从空中数据收发理解BLE(上)

现在我要提醒大家一点:接收(监听)状态下BLE无线部分也是消耗很多能量的,没有比发射状态少太多。与片上的CPU耗电相比,BLE的无线功能的确是耗电大户,各厂商会把TX/RX时的电流作为省电能力衡量的重要指标——重点,RX的耗电不能想当然忽略。

  

作为从设备,在进行advertising事件的时候,才需要把无线发射功能打开。在此外的间歇期间(几十毫秒到几秒)设备可以休眠等待,因此平均功耗可能很低。但是主设备想发现从设备,可就不能长时间睡大觉了,因为从设备只有一瞬间发射,如果主设备那时没有监听,就错过了。但主设备一直处于(三个信道轮流的)监听状态,无线部分的耗电就很大了。通常主设备也会间歇性地监听来查找从设备,也就是持续接收一段时间,再休息一阵的策略。如果从设备为了减少自身功耗,将广播的间隔设得很长,那么主设备要发现它就要付出更多的功耗。

BLE要做到主机和从机的功耗都小,其要点,我概括为“在事先约定的时间地点碰头”。上面所描述的从机advertising阶段,主机因为无法得知从机在哪个时刻在三个信道中的哪一个广播,不得不采取守株待兔的办法,所以主机耗电不能像从机那样低。但是两者建立BLE连接之后就不一样了,现在回顾主机为了建立连接向从机发送的CONNECT_REQ包的Payload内容:

除了主机和从机的BLE地址之外,LLData部分包含了许多字段:

AA: Access Address, 用于数据信道数据包中

CRCInit: 随机生成的CRC初始值

WinSize: Connection Event Transmit Window Size, 以1.25ms为单位

WinOffset: 同上,Transmit Window的时间偏移量

Interval: Connection Event的间隔时间

Latency: Slave Latency参数

Timeout: connSupervisionTimeout参数,以10ms为单位

ChM: 标记要使用的数据信道

Hop: hopIncrement, 是跳频算法的参数

SCA: 主机的sleep时钟误差参数

  

由以上这些字段决定了BLE连接的初始参数。从机如何知道主机会在什么时候,在那个信道发送数据包?请看下面这个图:

实际上,主机和丛机约定了一个未来的时间窗口,主机会在那个时间窗口内发送第一个数据包,从机需要保持监听。因为双方约定了一个时间窗口,无线电RX状态的时间就可以缩短了,就控制了功耗。主机发送数据包之后,转到接收状态,丛机接收到主机的数据包,也会很快回应一个数据包,这两次双向的数据交互时间是可以预计的,不存在无用的RX等待状态。然后,主机在一个连接间隔(connInterval)之后的时刻再次发出数据包,也就是新的connection事件开始,不过通信信道由自适应跳频算法重新选择。上图只画了最简单的状态,实际一个connection事件可以有多次的双向数据包交互。

  

把从机和主机并排起来看:

BLE入门谈:从空中数据收发理解BLE(上)

上图还展示了BLE连接状态的一个特性: slave latency, 即允许从机不响应一些(可能是没有收到的)数据包,而连接暂时能保持,不断掉。因为双方的时间间隔约定还在,后续只要成功交互就可以恢复通信。

BLE连接状态下的数据包格式本文就不列出了,因为涉及到Link Layer层的许多内容,要深入了解的朋友可以参阅蓝牙Core specification 4.0以后版本文档。

  

本文的目的在于给大家一个BLE的底层是怎么工作的一个整体印象,以及认识到它是怎样实现低功耗的无线数据交互的。

THE END
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