芝能智芯出品
在蓝牙低功耗（LE）技术不断发展之际，吞吐量成为衡量蓝牙设备性能的一个重要指标。
探讨蓝牙 LE 吞吐量的影响因素，并对比了两款蓝牙 LE MCU（包括作者公司和竞争对手 N）在不同环境下的吞吐量表现。
通过在多种实际条件下进行一系列严格的测试，分析了吞吐量差异的根源，并展示了在不同调制方式下，设备如何通过优化连接间隔、减少干扰等策略提升性能。
CYW20829 在吞吐量和连接稳定性方面表现不错，尤其在实际环境中，其更强的信号接收能力和自适应跳频算法显著提升了设备间的连接质量和数据传输速度。
Part 1
蓝牙LE吞吐量的技术解析
● 蓝牙LE的物理层与协议开销
蓝牙低功耗（BLE）的吞吐量定义遵循物理层（PHY）传输速率与协议栈开销的综合结果。
LE 1M调制通过2.4GHz频段以1Mbps速率传输数据，而LE 2M调制采用更宽的频谱（2.4GHz±70MHz）支持2Mbps速率，实际有效吞吐量需扣除协议栈产生的固定开销：
◎ 数据包头部开销：每个BLE数据包包含固定长度的地址字段、控制信息和校验位，约占总传输时间的20%。
◎ 帧间间隔：LE协议规定数据包间需保留150μs的静默期，进一步降低频谱利用率。
◎ 响应机制：每个数据包需接收方发送确认（ACK），即便空包也需至少10字节开销。
理论模型显示，LE 1M的最大有效吞吐量为790kbps（约占用80%的物理层带宽），LE 2M则为1400kbps（约70%带宽利用率），差距源于LE 2M更高的调制复杂度导致的同步开销增加。
● 关键参数对吞吐量的影响
连接间隔是蓝牙设备周期性建立连接事件的时长，直接影响数据传输频次。假设单次连接事件可传输n个数据包，则吞吐量可近似为： Throughput=Connection Intervaln×Payload Size。
◎ 短间隔（<100ms）：适合低延迟场景，但易受丢包后重传延迟的影响。
◎ 长间隔（>1s）：减少连接次数，降低功耗，但牺牲实时性。
测试中双方均采用400ms连接间隔，旨在平衡连接稳定性和传输效率。
LE 2M通过扩展频宽提升速率，但在多设备密集场景下易受窄带干扰。实验表明，在2.4GHz频段内，LE 1M在信道拥堵时的鲁棒性优于LE 2M。
蓝牙LE采用自适应跳频（AFH）技术规避信道拥塞，但其效果取决于芯片的射频设计与算法优化。
接收灵敏度（如CYW20829的-98dBm@LE 1M）直接影响弱信号捕获能力，而发射功率（如10dBm vs. 8dBm）决定传输距离与抗干扰边际。
Part 2
实地测试与性能对比
在吞吐量的实际测试中，为了确保测试条件的公平性，测试过程严格控制了环境变量，并在多种模式下反复测试设备的性能。
● 实验设计遵循以下原则：
◎ 硬件对等性：使用同一开发板、天线及供电方案，仅更换主控芯片。
◎ 动态场景覆盖：在200㎡办公区内移动测试终端，模拟真实干扰环境（含微波炉、Wi-Fi路由器等）。
◎ 双设备同步测量：通过中央设备与外围设备并置，采集两者吞吐量热力图数据。
● 在LE 1M模式下，CYW20829的最大吞吐量达696.38kbps，而竞品N仅为10.34kbps（图8）。两者的差异主要由以下因素导致：
◎ 信号覆盖范围：CYW20829的10dBm发射功率使其有效通信距离延长至约23米，而竞品N因8dBm功率在边缘区域频繁断连。
◎ 抗干扰能力：CYW20829的AFH算法动态跳过繁忙信道，减少重传次数；竞品N在微波炉开启时（2.45GHz频段干扰）吞吐量骤降至零。
LE 2M模式下，CYW20829的吞吐量仍保持显著优势，但在远离基站时性能下降幅度小于竞品N。这是因为LE 2M的高速率依赖更严格的信道质量要求，而CYW20829的-95dBm接收灵敏度使其能在弱信号条件下维持连接。
● 在400ms连接间隔下，丢包会导致传输暂停直至下一个连接事件。测试数据显示：
◎ CYW20829的重传延迟平均为28ms（因其连接间隔短），而竞品N因相同配置延迟高达400ms。
◎ 在信号强度低于-90dBm的区域，竞品N的丢包率超过40%，而CYW20829通过高灵敏度天线将丢包率控制在10%以内。
● CYW20829在蓝牙LE吞吐量性能表现出色，技术优势体现在三个方面：
◎ 射频设计：更高的发射功率与接收灵敏度扩展了有效通信范围，尤其在干扰密集场景下表现突出。
◎ 协议优化：高效的AFH算法减少了信道竞争导致的重传，提升了频谱利用率。
◎ 工程适配性：支持灵活的连接参数配置（如短间隔模式），满足低延迟与高吞吐的双重需求。
小结
吞吐量作为衡量蓝牙 LE 性能的重要指标，其实际表现不仅受到硬件本身的影响，还与连接参数、环境因素密切相关。
在未来的蓝牙 LE 应用中，如何平衡吞吐量与连接质量，尤其是在复杂的无线环境中，将成为蓝牙设备优化设计的重要方向。
