BLE通信距离的评估与测试

BLE通信距离的评估与测试

​ 在实际工程中，确定一个蓝牙产品的通信距离是非常重要的。经常有用户会疑问为什么都是蓝牙产品，人家公司的产品通信距离那么远，自己的产品只能在很近的地方搜到信号？这里我们将对蓝牙通信距离的影响因素和如何进行评估和测试进行分析。

弗里斯传输公式

​ 在通信工程中，我们常用弗里斯传输公式来评估信号在空中传播时的衰减情况，公式如下：

$$P_r=P_t\frac{G_t{G}_r{\lambda }^2}{(4\pi R{)}^2}$$

其中，

• $\lambda$为RF信号的波长，$R$为发射天线和接收天线之间的距离，
• $P_t$为信号发射时从发射天线发射前的功率，$P_r$为信号通过接收天线接收到后的功率。
• $G_t$和$G_r$分别为发射天线和接收天线的天线增益。

​ 可以看到信号的功率自发射$P_t$到接收$P_r$过程中，衰减情况受到了距离、天线增益和波长的影响。那么我们将公式变形下：

$$r=\frac{\lambda }{4\pi }\sqrt{\frac{P_t{G}_t{G}_r}{P_r}}$$

就可以得到，当已知发射和接收功率、收发天线增益、信号波长等情况就可以反推得到信号的传播距离。

BLE的影响因素

波长

​ 对于BLE这种工作在2.4G频段的技术，他信号的波长是确定的。即

$$\lambda =\frac{1}{2.4Ghz}$$

发射功率和接收灵敏度

​ 一般来说大部分的蓝牙产品都是基于各个厂商的蓝牙SOC芯片来设计的，SOC芯片的发射功率和接收灵敏度直接影响了产品的通信能力。这里SOC的发射功率指的就是前面信号在通过发射天线辐射到空中前的信号功率,也就是前面说的$P_t$。而接收灵敏度则是指作为接收机时，能从接收天线识别到的最小信号的功率，也就是当$P_r$大于等于接收灵敏度时，信号能够被SOC成功接收识别。

​ 一般而言，这两个参数会在芯片的数据手册中会被明确写出，例如下面某厂商的蓝牙芯片，他在1M bps时接收灵敏度为-95dBm，而发射功率最高可达8dBm。

天线增益

​ 发射和接收天线的天线增益需要根据选用的天线型号进行确定。例如下面时某款陶瓷天线各个型号的天线参数。可以看到这款天线最大的增益为2.5dBi，最小为0.5dBi。这些参数一般都会在选用的天线的数据手册中写明。

​ 当然有些用户可能用的不是独立的天线器件，而是板载的PCB天线。一般板载的PCB天线性能需要通过专门的天线厂进行测试确认。如下是某款板载天线在经过专业的天线厂进行测试后的数据。可以看到该天线的增益在3.3dB到4.5dB左右。

传输路径

​ 一般来讲，弗里斯传输公式针对是理想无阻挡空间的传播情况。但我们知道实际的环境不可能是理想的，在环境中会充斥着各种障碍物会影响到信号的传播。这种影响一般难以做量化分析。例如嘈杂的办公室障碍物众多，会导致信号多次反弹和衰减，导致传输距离变小。而空旷的户外对信号没有什么遮挡，信号忘忘能传输很远。

仿真工具

这里分享一个蓝牙官网的在线通信距离计算工具，只需要如上发射功率/接收灵敏度，发射/接收天线增益，应用场景即可快速得到一个大概的通信距离。

https://www.bluetooth.com/learn-about-bluetooth/key-attributes/range/#estimator

例如这里我们选择发射功率4dBm,接收灵敏度-97dBm,1M LE,发射和接收天线增益都为0，环境选择空旷的户外。这样的大概算出通信距离在90-125m左右。

拉距测试

​ 当然前面讲的其实都是些理论上的东西，在实际工程中，一个产品真正的通信距离大小还是需要通过实际的拉距测试进行确认。不过一般而言理论和实际相差不会太大，如果实测出来距离结果差太多的话，那还是要好好排除下产品设计了。