干货｜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。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：

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：

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.

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：

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。

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。

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：

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：

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。

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：

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。