低功耗藍(lán)牙（BLE，Bluetooth Low Energy）是藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）開發(fā)的一種低速率、短距離無線通信協(xié)議，它工作在2.4GHz頻段，主要通過極簡協(xié)議、間歇收發(fā)與休眠機(jī)制來大幅降低功耗，并支持點對點、廣播、藍(lán)牙Mesh組網(wǎng)多種拓?fù)?，同時支持CRC檢錯、FEC前向糾錯機(jī)制與多類物理層PHY（1M/2M/S2/S8），可有效兼顧通信可靠性與傳輸距離，適合可穿戴設(shè)備、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)傳感器及大規(guī)模設(shè)備組網(wǎng)等小數(shù)據(jù)、長續(xù)航的無線通信場景。

經(jīng)典藍(lán)牙（BR/EDR）與低功耗藍(lán)牙（BLE） 圖源：SIG

據(jù)知名行業(yè)研究機(jī)構(gòu)ABI Research數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計2026年全球藍(lán)牙設(shè)備出貨量將接近60億臺，2030年出貨量將突破80億臺，市場維持高增長態(tài)勢；其中，在經(jīng)典藍(lán)牙（BR/EDR）、低功耗藍(lán)牙（BLE）與雙模藍(lán)牙（Dual-mode）三類設(shè)備中，低功耗藍(lán)牙設(shè)備憑借超低功耗與靈活適配性，正持續(xù)滲透至在電子價簽（ESL）、資產(chǎn)追蹤標(biāo)簽、智能標(biāo)簽、健康監(jiān)測設(shè)備及智能家居系統(tǒng)等領(lǐng)域中，是未來數(shù)年內(nèi)拉動全球藍(lán)牙市場增長的核心驅(qū)動力。

關(guān)于經(jīng)典藍(lán)牙（BR/EDR）與低功耗藍(lán)牙（BLE）

經(jīng)典藍(lán)牙（BR/EDR，藍(lán)牙基礎(chǔ)速率/增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率）是一種低功耗射頻通信技術(shù)，主要工作在免授權(quán)的2.4GHz ISM頻段中，并通過頻段上的79個信道進(jìn)行數(shù)據(jù)流傳輸。經(jīng)典藍(lán)牙支持點對點設(shè)備通信，主要用于實現(xiàn)無線音頻流媒體傳輸，現(xiàn)已成為驅(qū)動無線揚聲器、耳機(jī)和車載娛樂系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)無線電協(xié)議；此外，經(jīng)典藍(lán)牙還支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸類應(yīng)用，移動打印便是典型場景之一。

低功耗藍(lán)牙（BLE）專為極低功耗工作模式而設(shè)計，它同樣工作在免授權(quán)的2.4GHz ISM頻段中，并通過頻段上的40個信道（3個廣播信道、37個數(shù)據(jù)信道）進(jìn)行數(shù)據(jù)流傳輸。除了在小數(shù)據(jù)、長續(xù)航的無線短距通信場景中被廣泛采用外，低功耗藍(lán)牙（BLE）在高精度位置服務(wù)領(lǐng)域中也極具應(yīng)用潛力，目前低功耗藍(lán)牙（BLE）已具備相關(guān)距離感知功能，可實現(xiàn)一臺設(shè)備對另一臺設(shè)備的存在檢測、距離測算與方向定位。
關(guān)于低功耗藍(lán)牙（BLE）的協(xié)議棧

低功耗藍(lán)牙（BLE）協(xié)議棧由許多層和功能模塊組成，其中有些是必選的，有些是可選的，其整體架構(gòu)自上而下分為主機(jī)（Host）與控制器（Controller）兩大核心部分；兩者之間可通過標(biāo)準(zhǔn)化的HCI主機(jī)控制器接口統(tǒng)一定義通信交互規(guī)范與數(shù)據(jù)報文格式，實現(xiàn)底層射頻物理鏈路與上層協(xié)議棧及應(yīng)用層之間的解耦與互通。

BLE協(xié)議棧 圖源：SIG

控制器（Controller）是協(xié)議棧中直接與射頻硬件交互的底層部分，負(fù)責(zé)物理層與鏈路層的所有射頻相關(guān)功能，包括無線電信號收發(fā)、調(diào)制解調(diào)、時序控制、跳頻管理、鏈路維護(hù)與數(shù)據(jù)包編解碼，其核心作用是建立并維持可靠的無線物理連接，為上層協(xié)議提供穩(wěn)定的射頻鏈路基礎(chǔ)。

Host（主機(jī)）是協(xié)議棧的上層邏輯模塊，運行在MCU或應(yīng)用處理器中，包含L2CAP、ATT、GATT、GAP及各類Profile等協(xié)議層，負(fù)責(zé)定義數(shù)據(jù)格式、設(shè)備角色、安全策略與應(yīng)用交互邏輯，實現(xiàn)設(shè)備間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)交互與應(yīng)用場景適配。

LC3（Low Complexity Communication Codec，低復(fù)雜度通信編解碼器）是藍(lán)牙LE Audio（低功耗藍(lán)牙音頻）標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)制要求支持的專用音頻壓縮算法，負(fù)責(zé)在發(fā)送端將PCM原始音頻數(shù)據(jù)高效壓縮為適合BLE鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，在接收端解壓縮還原為PCM音頻。
關(guān)于低功耗藍(lán)牙（BLE）的數(shù)據(jù)包格式

BLE鏈路層針對不同物理層（PHY）定義了兩類數(shù)據(jù)包格式：無編碼PHY數(shù)據(jù)包（適配LE 1M、LE 2M物理層）和編碼PHY數(shù)據(jù)包（BLE 5.0新增，適配Coded PHY遠(yuǎn)距離模式），兩者分別對應(yīng)不同的應(yīng)用場景

圖源：SIG

其中，無編碼PHY數(shù)據(jù)包是BLE最基礎(chǔ)的鏈路層幀格式，專為LE 1M和LE 2M物理層設(shè)計，結(jié)構(gòu)精簡高效，主要包含前導(dǎo)碼、訪問地址、PDU、CRC等字段，前導(dǎo)碼用于時鐘同步，訪問地址用于鏈路識別，PDU承載有效數(shù)據(jù)，CRC保障傳輸可靠性，整體傳輸速率高、延遲低，適合短距離、低干擾場景，是常規(guī)消費級BLE設(shè)備（手環(huán)、鼠標(biāo)、短距離傳感器等）的通用選擇。

低功耗編碼PHY數(shù)據(jù)包是BLE 5.0新增的專用幀格式，專為遠(yuǎn)距離和強(qiáng)干擾場景優(yōu)化，通過FEC前向糾錯機(jī)制將數(shù)據(jù)分為兩個糾錯塊傳輸，支持S=2和S=8兩種編碼模式，額外增加了編碼指示符CI和糾錯塊結(jié)束標(biāo)記TERM1/TERM2，雖降低了傳輸速率，但大幅提升了抗干擾能力和通信距離，適合工業(yè)傳感、智能家居、室外資產(chǎn)定位等對連接穩(wěn)定性要求高的低速率傳輸場景。

CMT4531、HM-BT2401DA，高性能的BLE芯片與模塊

值得一提的是，任何通信協(xié)議及其方案的落地都需要一款成熟、可靠的硬件模塊作為支撐，而BLE芯片/模塊就是銜接技術(shù)理念與應(yīng)用場景之間的核心載體。

例如，華普微自主研發(fā)的CMT4531就是一款高性能BLE SoC芯片，其內(nèi)嵌高性能、低功耗的32位處理器，片上集成48KB SRAM、256KB FLASH與先進(jìn)的BLE5.2射頻收發(fā)器，支持AOA (到達(dá)角) 和AOD (離去角)，支持RSSI (接收器信號強(qiáng)度指示)與主從角色；同時，該芯片還具備豐富的串行外設(shè)接口與集成化應(yīng)用IP設(shè)計，能幫助開發(fā)者以更低的物料清單（BOM）成本快速構(gòu)建終端產(chǎn)品。

在功耗表現(xiàn)上，CMT4531接收電流低至3.8mA，發(fā)射電流僅4.2mA@3.3V，并支持四種低功耗模式；Sleep模式下在48KB RAM全保持條件下電流低至1.4μA，PD模式功耗更可降至130nA；在無線性能與系統(tǒng)集成度方面，CMT4531集成了符合BLE 5.2規(guī)范的射頻收發(fā)器，最大發(fā)射功率可達(dá)+6 dBm，能在復(fù)雜環(huán)境中實現(xiàn)穩(wěn)定的信號傳輸。

同時，CMT4531還支持多連接，支持?jǐn)?shù)據(jù)包長度擴(kuò)展，支持KEYSCAN，IRC，10位1.33Msps ADC (可配置為16位16Ksps), 支持模擬MIC輸入，PGA放大，可獨立完成車載OBU的設(shè)備管理、數(shù)據(jù)交互、狀態(tài)監(jiān)測及OTA升級等功能，有效簡化硬件架構(gòu)、縮小PCB體積。

HM-BT2401DA是一款基于高性能BLE6.0芯片、具備“厘米級”測距與定位能力的信道探測（Channel Sounding）模塊，支持啟動器（Initiator：希望計算自身到目標(biāo)設(shè)備的距離）和反射器（Reflector：對啟動器進(jìn)行響應(yīng)）兩種測距角色，支持雙天線路徑，可以通過AT指令快速實現(xiàn)啟動器（Initiator）和反射器（Reflector）無線連接和測距，外部MCU的資源占用低，開發(fā)過程簡單。

HM-BT2401DA支持RTT（往返時間）和PBR（基于相位測距）模式，在信道探測過程中，啟動器（Initiator）會在指定的72個2.4 GHz物理信道中發(fā)送載波信號或數(shù)據(jù)包，反射器（Reflector）則通過將載波信號或數(shù)據(jù)包發(fā)回給啟動器（Initiator）來進(jìn)行響應(yīng)；啟動器（Initiator）在得出數(shù)據(jù)包的往返時間以及不同頻率載波信號之間的相位差數(shù)據(jù)后，即可運行特定的距離測量算法得出兩者間的準(zhǔn)確距離，并通過串口將計算結(jié)果上報MCU。

審核編輯 黃宇