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本文全面介绍了低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）设备的技术特性，包括其工作频段、抗干扰方式、调制方案、物理层支持、信道探测功能、时间分复用方案、设备要求以及蓝牙技术的监管内容。
1. 蓝牙低功耗设备的工作频段和抗干扰方式
蓝牙低功耗系统通过合理的频率带和信道安排，在2.4GHz ISM频段上实现了有效的通信。同时，利用信道探测等技术不断优化通信性能，以适应不同的应用场景和环境条件。
1.1. 工作频段
- 频段名称：2.4GHz ISM（工业、科学和医疗）频段，无需授权
- 具体范围：从2400MHz到2483.5MHz
- 特性：全球通用的免许可频段，存在潜在干扰
1.2. 信道划分
- 常规信道
- 数量：40个射频（RF）信道
- 中心频率间隔：2MHz
- 频率范围：从2402MHz到2480MHz
- 功能：确保有足够的信道可供选择，提高通信可靠性和稳定性
- 支持信道探测（CS）的信道
- 数量：72个RF信道
- 中心频率：2402 + k MHz（k为从2到22以及26到76的整数）
- 功能：为信道探测功能提供更多的频率选择，优化通信性能
- 信道探测的作用：检测无线信道状态，帮助设备选择最佳通信信道，提高通信质量和可靠性
1.3. 抗干扰措施
为了应对干扰和信号衰落，BLE 设备采用频率跳变收发器。通过在多个频率信道之间快速切换传输信号，使得信号能够避开干扰源或者衰落严重的频段，从而提高通信的可靠性。
2. 调制方案
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强制调制方案（“1 Msym/s 调制”）：
- 使用一种经过整形的二进制频率调制（shaped, binary FM），目的是最小化收发器的复杂性。这种调制方式相对简单，能够在保证通信功能的前提下，降低收发器的设计难度和成本，同时也有助于降低功耗，这对于低功耗蓝牙设备来说是非常重要的设计目标。
- 符号率为 1 Msym/s（兆符号每秒）。
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可选调制方案（“2 Msym/s 调制”）：与强制调制方案类似，但符号率为 2 Msym/s。这种更高的符号率可以提供更高的数据传输速率，但也可能会带来一些技术挑战，如对收发器的性能要求更高、更容易受到干扰等。
3. 物理层（PHY）支持
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1 Msym/s 调制支持的物理层：
- LE 1M：使用未编码数据，数据传输速率为 1 Mb/s（兆比特每秒）。这是 BLE 设备必须支持的物理层，确保了设备之间的基本通信能力。
- LE Coded：接入地址（Access Address）、编码指示器（Coding Indicator）和 TERM1 以 125 kb/s 的速率进行编码，有效载荷可以以 125 kb/s 或 500 kb/s 的速率进行编码。支持 LE Coded PHY 是可选的，这意味着设备制造商可以根据产品的需求和设计目标来决定是否支持这个物理层。
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2 Msym/s 调制支持的物理层：
- LE 2M：使用未编码数据，数据传输速率为 2 Mb/s，带宽 - 符号时间积（BT）为 0.5。
- LE 2M 2BT：同样使用未编码数据，数据传输速率为 2 Mb/s，但 BT 为 2.0。这个物理层只能与信道探测（Channel Sounding）功能一起使用。
4. 信道探测（Channel Sounding）功能
- 可选支持：设备可以选择是否支持信道探测功能。如果支持该功能，那么在调制要求上，LE 1M、可选的 LE 2M 和可选的 LE 2M 2BT 也适用于任何 CS_SYNC 数据包。
- 调制方式：信道探测使用一种额外的调制方案，即幅度键控（ASK）。在使用 ASK 时，通过在固定频率下以固定幅度发送载波信号一段时间来传输符号。
5. 时间分复用（TDD）方案
- 所有物理层使用：所有的物理层都采用时间分复用方案。这意味着在通信过程中，发送和接收是在不同的时间间隔内进行的，而不是同时进行。这种方式可以简化收发器的设计，并且可以避免发送和接收之间的干扰。
- 规范要求的目的：
- 兼容性：定义蓝牙无线电的要求是为了确保系统中使用的不同无线电之间具有兼容性。这样，不同厂家生产的 BLE 设备可以在同一个蓝牙网络中正常工作，实现设备之间的互联互通。
- 系统质量：同时也为了定义系统的质量。通过明确的要求，可以确保蓝牙通信的可靠性、数据传输速率、功耗等性能指标达到一定的标准，从而为用户提供高质量的无线通信体验。
6. 设备要求
- 发射机或接收机，或两者兼有：一个 BLE 无线电设备应当具有发射机或接收机，或者两者都有。这是实现双向通信的基本要求。
- 满足声明的操作条件要求：BLE 无线电设备应当满足设备制造商声明的操作条件要求。例如，设备制造商可能会声明设备在特定的温度范围、湿度范围、电源电压等条件下能够正常工作。这些要求在规范的 A.1 节中有详细说明。
7. 蓝牙技术的监管内容
蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）在其网站（https://www.bluetooth.com/regulatoryrequirements/）上维护了与 2.4GHz ISM 频段蓝牙技术相关的监管内容。这些监管内容包括但不限于频率使用规定、发射功率限制、电磁兼容性要求等，以确保蓝牙设备在全球范围内的合法使用，并且不会对其他无线设备和系统造成干扰。
8. 总结
低功耗蓝牙（BLE）技术以其低功耗、高效率的特点在物联网、智能家居等领域得到广泛应用。本文详细阐述了BLE设备的工作频段、抗干扰策略、调制方案、物理层支持、信道探测功能、时间分复用方案、设备要求以及监管内容。BLE设备通过采用频率跳变收发器和简单的调制方案，实现了在复杂无线环境中的稳定通信。同时，通过支持多种物理层和可选的信道探测功能，BLE设备能够满足不同应用场景的需求。此外，BLE设备还需满足特定的设备要求和监管内容，以确保其合法使用和性能达标。综上所述，BLE技术为无线通信领域提供了一种高效、可靠的解决方案。