蓝牙信号编码

蓝牙信号编码是将数字数据转换为适合在无线信道中传输的特定波形格式的过程。其核心目标是在存在噪声、干扰和信号衰减的无线环境中，确保数据能够被准确识别和还原。

1. 基础：二进制数据的表示

• 所有数字数据在底层都是由一系列的0和1（比特）构成的。
• 在无线通信中，我们需要将这些逻辑上的0和1，转换成物理世界中的电信号波形。最简单的想法是直接用两种不同的电压或频率来代表0和1。

2. 蓝牙基础速率/增强数据率（BR/EDR）的编码方式
蓝牙经典模式主要使用两种编码方案，以适应不同的需求：

• 基本编码方案：

  • 这是蓝牙最初始、最简单的编码方式。
  • 其规则是：逻辑“1”用一个负的频偏（即频率低于中心频率）来表示；逻辑“0”用一个正的频偏（即频率高于中心频率）来表示。
  • 这种直接对应关系实现简单，但抗干扰能力和数据完整性校验较弱。

• 增强编码方案：

  • 为了提高可靠性，蓝牙引入了更复杂的编码。它不再是一个比特直接对应一种波形，而是将比特分组后进行编码。
  • 过程如下：
    1. 分组： 每2个原始信息比特（例如10）分为一组。
    2. 查表映射： 根据一个预定义的映射表，将这2个比特映射成一个4比特的码字。例如，二进制“10”被映射为“1010”。
    3. 波形生成： 这个4比特的码字中的每一位，再使用与基本编码方案相似的规则（但极性可能相反）转换为频率波形。
  • 优势：
    • 冗余： 引入了额外的比特（从2位变成4位），提供了冗余信息。
    • 错误检测： 接收端知道只有特定的4比特组合（如1010, 1100等）是合法的。如果收到一个非法的码字（如1000），接收端就能判断传输中发生了错误，从而可能请求重发，大大提高了数据的准确性。

3. 蓝牙低功耗（BLE）的编码方式
蓝牙低功耗为了极致地降低功耗和成本，采用了不同的、更高效的编码策略：

• 未编码物理层：

  • 这是BLE高速模式（1Mbps）使用的编码。
  • 它使用一种称为高斯频移键控（GFSK） 的技术。可以简单理解为：它和蓝牙基础速率的基本编码方案思想类似，用两种非常接近的频率分别表示0和1。但由于其波形经过高斯滤波整形，频谱更集中，对相邻信道的干扰更小。

• 编码物理层：

  • 这是BLE为远距离模式（500kbps或125kbps）设计的编码，其核心是模式映射。
  • 过程如下：
    1. 比特到符号的转换： 发送端将输入的二进制比特流，按照特定规则（如每1个比特转换为2个或8个“符号”）。
    2. 符号到波形的映射： 每个“符号”不再直接是0或1，而是被映射为一种特定的波形模式。例如：
       • 原始比特0 被映射成序列 01。
       • 原始比特1 被映射成序列 10。
    3. 优势：
       • 降低数据速率： 由于用更长的波形序列来代表一个原始比特，有效的数据传输速率降低了，但这使得每个比特的能量在时间上被“摊开”。
       • 提高接收灵敏度： 接收机有更多的时间（更长的波形）来累积能量和识别信号，从而能在更微弱（即更远距离）的信号下成功解码，极大地扩展了通信范围。
       • 增强抗干扰性： 这种编码本身具有一定的纠错能力。

总结： 蓝牙信号编码是一个从简单到复杂的策略选择。基础速率通过增加冗余比特来提升准确性；而低功耗则通过巧妙的模式映射，以降低速率为代价，换取了更远的传输距离和更强的抗干扰能力，完美地服务于其低功耗、长距离的应用场景。