声明：BLE低功耗蓝牙系列博客来自个人的学习总结，其中肯定会包含很多错误，如果发现欢迎帮忙指正。BLE内容比较多，我现在还没有完全学完，好在其分层设计，所以可以每学完一个部分就可以做相应的总结。需要说明的是该系列博客的大部分内容来自《低功耗蓝牙开发权威指南》这本书，还会包含韦东山蓝牙系列课程的部分内容。该系列博客可以提供些什么？该系列博客是对BLE相关的知识点做归纳总结，注释个人在学习过程中的观点、理解。以后的内容计划有BLE应用的使用和实现过程，尽可能的在博客内容加入协议分析的过程，总之是从作者的学习历程记录BLE学习、理解的过程。通过对BLE低功耗蓝牙的学习弥补了我对无线通讯技术的空白，今后持续学习BLE这项技术，博客也会不断完善，必要时进行调整，修改。

什么是低功耗蓝牙（BLE）？

低功耗蓝牙是一种全新的技术，是当前可以用来设计和使用功率最低的无线技术。

作为经典蓝牙的拓展，低功耗蓝牙沿用了蓝牙商标，并且借鉴了很多父辈的技术，然而，由于针对的设计目标和市场领域均与经典蓝牙有所不同，低功耗蓝牙应被视为一种不同的技术。

低功耗蓝牙在速率与功耗，更朝着降低功耗方面优化。

在设计之初，低功耗蓝牙的目标在于尽可能创造一种最低功耗的、短距离的无线技术。为了实现这一目标，低功耗蓝牙技术对体系结构的每一层都进行了优化，以降低执行任务所需的能耗。例如，与经典蓝牙相比，低功耗蓝牙对于物理层的无线电参量要求有所放宽，意味着发送或接受数据时可以使用更低的功率。同样，链路层为了加快重连速度、提升数据广播的效率与进行了优化，这使得连接的保持变得不那么重要。此外低功耗蓝牙对主机内各协议也做了优化，主要是为了减少从连接建立到应用程序完成数据发送所需的时间。这一切的优化只有依靠同一团队在同一时间完成所有的系统设计才有可能实现。

BLE作为无线技术运用的一种，信号是如何传输的？

首先需要讲的是，什么是无线电？我们高中物理就学过，电流经过线圈会产生电磁场，电磁场在空中传播，远端的线圈接收到变化的电磁场则可以产生感应电流，经过放大处理，就能够被我们的设备接收识别。

无线电技术原理：无线电是一种空间内自由传播的电磁波，无线电技术以导体中电流发生强弱变化时产生的无线电波作为载体，信息调制应用其中，承载着信息的电磁波在空间中进行传输，并到达无线电广播终端设备，电波在这时发生了磁场变化，由于导体中有电流,需要使用解调方式将数据信息提取出来。
无线电频率：无线电波含有迅速振动的磁场。振动的速度就是波的频率，以赫兹(Hz)为单位。1赫兹等于每秒振动一下。一千赫(kHz)等于1000赫兹。不同频率的波段用来发射各种不同的信息。

关于无线电更多详细的内容可以看这篇文章：无线电波是怎么产生的http://m.elecfans.com/article/570984.html。

用于传输数据信号的无线电需要进行调制/解调：

模拟调制

幅度调制：使载波的振幅按照所需传送信号的变化规律而变化，但频率保持不变的调制方法。

幅度调制有一些明显的问题。当无线电台的音频输入很小的时候，接收机可能会完全丢失信号，或者试图接收有用东西时却输出更多的噪声。噪声总是存在的。

频率调制：无线电技术的下一个发展阶段采用的是使用频率调制。幅度调制根据输入信号改变载波幅度，因此输入信号非常微弱时，载波输入也会非常微弱。而调频总是以最大功率发射。

还有一些更为先进的调制方案，比如相位调制。相位调制比简单的频率调制要复杂，因此只用于复杂的数字系统。

除此之外，还有正交幅度调制，其利用两个相位差为90°的载波进行幅度调制。大多数国家的数字电视广播采用了正交幅度调制。

数字调制

键控是用来描述如何根据数字信号调整载波的专业术语。最简单的数字调制是通断键控。

通断键控（OOK）

指在特定的时间开启或关闭载波。

幅移键控（ASK）

它类似于幅度调制，如果输入信号是二进制的（仅0%和100%），则幅移键控退化为通断键控。如果可以使用4个不同的级别（0%、33%、66%和100%），则每个级别可以编码2比特信息。幅移键控和通断键控都有信噪比低的问题，这样的话对一个符号所代表的信息的判断可能会有误。

频移键控（FSK）

它与频率调制类似，频率的变化用来决定符号的值。最简单的频移键控是二进制频移键控，即负频偏对应比特0，正频偏对应比特1。频移键控的优点在于总能收到并锁定载波，因此比幅移键控的传输距离更远。

低功耗蓝牙中，采用一种称为高斯频移键控（GFSK）的调制方式改变无线电波的频率，传输0或1的信息。最小的频偏约为180khz。也就是说，如果中心频率选取了2402MHz，比特0意味着传输2401.820MHz，比特1意味着传输2402.180Mhz。

低功耗蓝牙使用的频段？

低功耗蓝牙使用2.45G的频段，在上面进行信号调制。2.45GHz频段已经非常拥挤，标准的技术就包括：经典蓝牙、低功耗蓝牙、wifi、Zigbee等等，许多其它设备也会在该频段发射噪声，例如微波炉。

2.45GHz ISM频段对无线技术而言都是个糟糕的频段。该频段无线电传播特性差，能量极容易被各类物体吸收，尤其是水。

除非沿用经典蓝牙的自适应调频技术，否则设计一个能在各种干扰下全天候的工作的无线设备将是不可能完成的任务。

低功耗蓝牙需要在这样复杂的环境中传输信号，需要包括检测和纠正比特误码的能力，这类错误通常由背景噪声而引起。

上面有提到ISM频段，什么是ISM频段频段？ISM频段（Industrial Scientific Medical Band），中文意思分别是工业的(Industrial)、科学的(Scientific)和医学的(Medical)，因此顾名思义ISM频段就是各国挪出某一段频段主要开放给工业，科学和医学机构使用。

ISM 频段如下：

频率范围（Hz）	中心频率（Hz）	可行性
6.765–6.795 MHz	6.780 MHz	取决于当地
13.553–13.567 MHz	13.560 MHz
26.957–27.283 MHz	27.120 MHz
40.66–40.70 MHz	40.68 MHz
433.05–434.79 MHz	433.92 MHz
902–928 MHz	915 MHz	Region 2 only
2.400–2.4835GHz	2.450 GHz
5.725–5.875 GHz	5.800 GHz
24–24.25 GHz	24.125 GHz
61–61.5 GHz	61.25 GHz	取决于当地
122–123 GHz	122.5 GHz	取决于当地
244–246 GHz	245 GHz

2.4GHz频段为各国共同的ISM频段。因此无线局域网、蓝牙、ZigBee等无线网络，均可工作在2.4GHz频段上。

低功耗蓝牙信道的概念?

低功耗蓝牙2.4G频段，频率范围2.400–2.4835GHz，中心频率2.450 GHz。把这些频段进行划分，划分的每个区域就是一个信道。信道对与无线通讯是很重要的，如果同时存在多个低功耗蓝牙设备，他们不可能在同一频率上工作，会导致相互间干扰。同时干扰的来源还来自于其它标准的无线信号、背景噪声等。

经典蓝牙在79个窄带信道间切换进行信息传输，而低功耗蓝牙使用40个无线信道，每个信道中心频率有2M的间隔。

自适应跳频就是当某个信道数据传输收到干扰时，就换到其它信道。自适应跳频算法可以尽可能允许多个设备同时工作，同时避免其它无线信号的干扰。

低功耗蓝牙的几个参数？

功率限制
2.4GHz ISM频段对无需授权的设备有最大发射功率的限制。对于低功耗蓝牙，规范规定最大发射功率为+10dBm。同时规范也规定最小发射功率不应低于-20dBm。

容限与接收机灵敏度

即使无线电被设计在2402Mhz发射，实际工作频率会存在偏差，对于低功耗蓝牙整个报文的中心频率容限是±150kHz。中心频率只所以会偏离，原因在于它一般由一个已知频率的晶振倍频获得，晶振的任何偏差会被放大。另一个很重要的指标是报文发送过程中中心频率的漂移，漂移可能由芯片工作时积聚的热量导致。在一个低功率蓝牙报文中，漂移不允许超过50kHz。与此同时，频率的最大漂移率也不能超过400Hz/us。

接收机灵敏度通常以dBm为测量单位。低功耗蓝牙规定接收机的灵敏度要高于-70dBm。

比较无线电系统的指标

应用层数据参数率：该指标是扣除所有报文开销后，应用层能够传输的最大数据传输率

物理比特率：该指标是指当连续放送时，1s内所能发送比特的最大数量。低功耗蓝牙的物理比特率为1Mbit/s。

通讯距离

如果发射功率为0 dBm，接收机灵敏度为-80 dBm，则允许的路径损耗为 80dB对应于40m的通信距离。这是低功耗蓝牙在常见的发射功率和接收灵敏度情况下所达到的通讯距离。