蓝牙5：速度更快，范围更广，新的RF测试---电子技术资料

　　没有一种无线技术是所有物联网(IoT)应用的理想选择。对于短距离，低功耗和低数据速率，最常见的选择是ZigBee，Z-Wave和蓝牙低功耗。随着蓝牙技术的新增功能的增加，无线连接将变得更加吸引人，并且在这类物联网应用中它的使用将会增加。

　　蓝牙5增加了提高距离和提高数据吞吐量的能力。它将支持可以提高可靠性同时保持低功耗的网状网络。我们来看看蓝牙5中引入的关键物理层增强功能，实际蓝牙设备上的射频测量以及射频测量技术和挑战。

　　更长的范围改进

　　许多物联网设备都是由电池供电的。许多这些低能量应用在不增加发射机输出功率的情况下达到足够的范围。蓝牙5通过为用户数据定义较低的数据速率来实现这一点。此外，对这些数据进行编码将允许在接收器处进行纠错 - 提供更好的灵敏度和更长的距离。

　　蓝牙4使用1 Mbps的数据速率，但蓝牙5提供125 kbps和500 kbps的新数据速率。500 kbps使用两倍编码增益，用编码位替换一半用户数据。在125kbps的情况下，只有1/8的数据是用户数据，而7/8是编码位。这种编码方法与寻找模式相关性的接收机改进一起提供了12 dB编码增益的等效，有效地增加了接收机的灵敏度，并提供了高达四倍范围的理论改进。许多物联网应用只需要非常低的数据速率，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规格也允许更高的发射功率。目前的蓝牙4规范允许最大+10 dBm，

　　这些范围的改进将使蓝牙5在现有的应用中更加可靠，在更长距离的应用中更受欢迎，例如家庭自动化和安全。图1示出了具有125kbps，500kbps，1Mbps和2Mbps的数据速率的蓝牙5设备的分组错误率(PER)曲线，证明了通过使用较低的数据速率实现的接收器灵敏度提高。

　　

　　图1 BT5设备上每个允许的数据速率的PER曲线。曲线显示，对于最低的数据速率(125 kbps)，您需要最少的功率(约-102 dBm或更少)以保持接近零的PER。在2 Mbps时，所需的功率上升到约-90 dBm。

　　蓝牙5不是像WiFi和蜂窝一样设计用于真正的高数据速率应用，但是在某些情况下，更高的数据速率是有用的。除现有的1 Mbps数据速率外，蓝牙5还推出了2 Mbps数据速率，适用于无线固件更新等应用。这个更高的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，每个符号有1位。通过将符号速率增加到2 Msymbol / sec，峰值数据速率现在为2 Mbps。使用这种较高的符号率时没有编码选项，因此对于较短的范围和软件更新等不经常使用的应用来说，这将是最有用的。这个更高的符号率会增加频谱的使用。目前的蓝牙4使用大约1MHz的带宽，并且在蓝牙5中使用2Mbps，这增加到接近2MHz的带宽。蓝牙低功耗信道以2 MHz的增量间隔，所以这个增加的带宽仍然适合现有的定义频率信道。 图2

　　的右侧显示来自蓝牙5设备的2 Mbps突发的RF测量。分组数据速率和FM偏差是它们在等效1 Mbps测量中的两倍。

　　

　　图2 2 Mbps捕获和测量的图形显示显示随着数据通过BT5链路，FM随时间的变化。

　　BT5信标的更大的数据包

　　预计在蓝牙5中将变得更加普遍。这些信标不仅具有更长的距离，而且现在还可以传输比蓝牙4更多的数据量。在蓝牙低功耗的情况下，信标使用一种称为“ 广告包”的方法以一致的间隔传输短的突发数据。使用蓝牙4，有三个专用的“广告频道”，每个频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是相当有限的，蓝牙5使用新的广告方案解决了这个问题。

　　在蓝牙5中，这些设备将继续在三个专用广告信道上传输，但是这些相对较短的传输中的每一个变成简单地指向包含显着更多数据的其他数据信道的指针。想象一下，需要在多个物理参数上传输数据的医疗设备。在31个字节的数据中不能获得太多的信息，但是使用蓝牙5中定义的新方法，现在可以传输数百个字节的数据，而不需要配对两个设备和建立全连接的复杂性。

　　RF测试

　　对于RF测试，蓝牙5继续使用蓝牙特别兴趣小组定义的直接测试模式(DTM)(SIG)。在DTM中，被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打开发射器或接收器，取决于正在执行哪种类型的射频测试。蓝牙5遵循相同的方法，通过引入对当前DTM命令的扩展，使其现在可以指定125kbps，500kbps，1Mbps或2Mbps的数据速率。

　　每种数据速率都有不同的编码和调制。采用新的较低数据速率，设计人员可以期望看到接收器灵敏度显着提高，一些领先的器件的接收灵敏度优于-100 dBm。这种改进的性能将会对设备接收器提出额外的要求，以降低本底噪声，减少其他外部来源的不适感。

　　在发射机方面，125 kbps，500 kbps或1 Mbps传输的物理层差异非常小。这些速度使用1 Msymbol / sec调制，因此在物理层，信号都具有相同的RF特性。作为设计验证的一部分，制造商将需要验证所有不同的速率，但是在制造中，仅以1 Mbps和2 Mbps的数据速率进行发射机测试就足够了。

　　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来自英国电信集团的SIG展示了现在支持新数据速率的DTM命令。这些测试对于BT SIG认证是强制性的，因此设计人员可以期望所有主要芯片组制造商都将实施新的DTM命令，以简化工程和制造中的RF测试。

　　

　　图3蓝牙5为新数据速率添加了直接测试模式命令。来源：蓝牙SIG。

　　网状网络

　　网状网络让设备能够通过更长的距离进行通信，因为网络中的每个设备都可以充当中继。ZigBee和Z-Wave都包括网状网络，可以提高长距离通信的可靠性。举个例子，假设你想控制一个安全灯或者读一个室外温度计，但是距离太远而不能直接通信。这是可以的，因为使用蓝牙5网状网络，您的手机只需与网络中最近的设备进行通信，然后将信息与要与之通信的设备进行中继。在蓝牙中实现这一点的关键挑战将是来自多个供应商的设备的互操作性。今天，许多蓝牙应用程序是1：1，这意味着设备只需要几个领先的智能手机正常工作，以覆盖大多数用户的应用程序。

　　蓝牙5将对消费者和物联网供应商有利; 预计将在低能耗，低数据速率，短距离应用方面大幅增加采用。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，测试解决方案现在可以用于早期设计。