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蓝牙 5.1 – 为什么我们需要准确的定位和定向?

By Eve Danel

August 9, 2021

本博客的作者是 LitePoint 的 Eve Danel。在本文中,您将了解最新的蓝牙规范和蓝牙 5.1 的全新测试要求。

蓝牙 5.1 – 为什么我们需要准确的定位和定向?

2010 年,蓝牙低功耗(Bluetooth LE)技术随蓝牙 4.0 标准一同推出。与十分经典的前几代蓝牙相比,Bluetooth LE 支持以更低的功耗运行,从而延长了主机设备的电池寿命。2016 年,蓝牙 5 标准推出,不但将数据速率翻倍,还扩大了工作范围。2019 年,蓝牙 5.1 发布,增加了支持位置跟踪应用的定向增强功能。

蓝牙 5.1 用例

借助蓝牙 5.1 中的定向增强功能,这项技术可以在室内工作时提供类似 GPS 的定位功能。此类技术的应用范围十分广泛,包括资产跟踪、定位建筑物中的人员、室内定向和物体跟踪等。这种丰富的用例可应用于几乎所有垂直领域市场,包括工业、医疗、零售、酒店、企业、家庭和交通。

基于 RSSI 的接近感应

在使用蓝牙信标实现接近感应方面,蓝牙已经是一种常见技术。在这种方法中,定位器使用接收到信号强度指标 (RSSI) 值来估算距离,该值表示在定位器接收器上测得的信号强度。RSSI 用于估算发射器和接收器之间的距离。知道发射器的功率后,就可以通过测量信号衰减来估算物品的位置。

图 1:基于 RSSI 的方法

RSSI 只能粗略地估算距离,因为此方法容易受到环境的影响。发射器和接收器之间的障碍物(例如一群人)会显著增加信号衰减,从而降低距离估算的精度。此外,RSSI 方法只能检测到设备位于接收器周围圆形区域的某处(如上面的图 1 所示),因为它不提供有关位置的任何附加信息。通过部署多个定位器并使用信号三边测量,可以更准确地定位设备,但也会增加系统的复杂性。

通过AoA和AoD提高精度

蓝牙 5.1 通过提供到达角 (AoA) 和离开角 (AoD) 信息来提高 RSSI 方法的精度。

AoA 设计用于资产跟踪等应用,其中移动的 AoA 发射器(例如手机)使用单个天线发送蓝牙 LE 定向信号,而固定的 AoA 接收器(例如安装在天花板上)配备至少有两个天线的天线阵列。该天线阵列用于通过使用天线之间的相位差来确定发射器的方向。可根据信号的波长、天线之间的距离和接收信号的相位来确定到达角。

图 2:AoA 方法

AoD 设计用于室内导航寻路等应用。AoD 接收器(例如电话)接收由固定 AoD 发射器(例如安装在天花板上)发射的定向信号,该发射器配备最少有两个天线的天线阵列。与 AOA 一样,通过使用信号的相位信息来确定角度。

图 3:AoD 方法

蓝牙 5.1 定频扩展信号 (CTE)

要启用 AoA 和 AoD,必须测量信号的相位。针对定向,蓝牙 5.1 核心规范增加了一个定频扩展 (CTE) 字段,该字段是一个位序列,持续时间在 16 微秒到 160 微秒之间。只有以 1 Mbps 的速率(强制速率,也可选择 2 Mbps)运行的蓝牙 LE 支持 CTE。CTE 字段包含一系列经过调制的 1 位,必须使用恒定波长以一种频率发射,以便测量接收信号的相位。因此,信号不受白化的影响,白化是一种对信号进行加扰以确保不会出现长串 1 或 0 的过程。

图 4:CTE

如何测试蓝牙 5.1?

成功引入定位服务技术的关键是位置测量的精度。蓝牙 5.1 的目标是提供亚米级的精度。验证解决方案在确保系统性能方面发挥着重要作用。

蓝牙 SIG 更新了蓝牙 PHY 测试规范,其中包含对这些全新定向功能的验证。为 AoA 和 AoD 方法的发射器和接收器测试增加了新的测试用例,支持 1 Mbps 和 2 Mbps 蓝牙数据速率的各种组合,以及标准中支持的 1 微秒及 2 微秒切换和采样时间。总体而言,PHY 测试中增加了 23 个全新测试用例,可涵盖 AoA 和 AoD。

CTE 是蓝牙的新概念,测试用例旨在确保它可由发射器正确生成。在接收器端,务必确保接收器 CTE 的 IQ 测量值可用于准确推导出信号的相位。

图 5:完整的 AoA 和 AoD 测试设置

图 5 给出了 AoA 和 AoD 发射器和接收器测试的完整测试设置。LitePoint 的 IQxel-MW 7G 支持新的定向测试用例。此外,LitePoint 还提供 IQfact+ 软件包,可为领先的蓝牙 5.1 芯片组提供完全自动化的 DUT 和测试仪控制。

AoA 发射器和接收器测试

在 AoA 发射器(通常是移动设备)中,设备只有一个天线,并且 PDU 结束时无需开关即可连续发射 CTE 字段。测试仪会在接收信号上验证 CTE 信号的最大峰值功率和平均功率,以及这些已发送信号的载波频率偏移和载波漂移。

AoA 接收器更为复杂,因为它有多个天线和一个开关,因此当接收到测试仪发送的 CTE 信号时,接收器会按照预定的模式在阵列中的多个天线之间切换。切换时间为标准中定义的 1 微秒或 2 微秒。此外,DUT 还会在标准中定义的 1 微秒或 2 微秒已分配采样时隙期间对接收到的 CTE 进行采样。DUT 获取的 IQ 样本会发送到测试仪进行分析,以确保相位测量符合规范。

AoD 接收器和发射器测试

AoD 接收器(具有单天线的移动设备)需要在正确的采样时隙对接收到的 CTE 信号进行采样。为了验证这一点,DUT 获取的 IQ 样本会发送到测试仪进行处理和分析。与 AoA 接收器测试一样,该测试验证从采样得出的相位值是否符合规范。

AoD 发射器设备的天线阵列至少有两个天线,因此发射器测试会验证天线切换是否发生在 CTE 的正确已分配时隙期间以及天线阵列内的切换模式是否正确。

有关 LitePoint 的蓝牙 5.1 测试解决方案的更多信息,请访问 IQxel-MW 7GIQfact+ 页面。

有关更多信息,请下载有关测试 BT 5.1 的应用笔记或有关该主题的网络研讨会回放

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