本部落格作者是 LitePoint 的 Eve Danel。 在本文中，您將瞭解最新的藍牙規範和藍牙 5.1 的全新測試要求。

藍牙 5.1 – 為什麼我們需要準確的定位和定向？

2010年，藍牙低功耗（Bluetooth^® LE）技術隨藍牙 4.0 標準一同推出。 與十分經典的前幾代藍牙相比，Bluetooth^® LE 支援以更低的功耗運行，從而延長了主機設備的電池壽命。  2016年，藍牙 5 標準推出，不但將數據速率翻倍，還擴大了工作範圍。  2019年，藍牙 5.1 發佈，增加了支援位置跟蹤應用的定向增強功能。

藍牙 5.1 用例

借助藍牙 5.1 中的定向增強功能，這項技術可以在室內工作時提供類似 GPS 的定位功能。 此類技術的應用範圍十分廣泛，包括資產跟蹤、定位建築物中的人員、室內定向和物體跟蹤等。 這種豐富的用例可應用於幾乎所有垂直領域市場，包括工業、醫療、零售、酒店、企業、家庭和交通。

基於 RSSI 的接近感應

在使用藍牙信標實現接近感應方面，藍牙已經是一種常見技術。 在這種方法中，定位器使用接收到信號強度指標（RSSI） 值來估算距離，該值表示在定位器接收器上測得的信號強度。  RSSI 用於估算發射器和接收器之間的距離。 知道發射器的功率后，就可以通過測量信號衰減來估算物品的位置。

RSSI 只能粗略地估算距離，因為此方法容易受到環境的影響。 發射器和接收器之間的障礙物（例如一群人）會顯著增加信號衰減，從而降低距離估算的精度。 此外，RSSI 方法只能檢測到設備位於接收器周圍圓形區域的某處（如上面的圖 1 所示），因為它不提供有關位置的任何附加資訊。 通過部署多個定位器並使用信號三邊測量，可以更準確地定位設備，但也會增加系統的複雜性。

通過AOA和AOD提高精度

藍牙 5.1 通過提供到達角 （AoA） 和離開角 （AoD） 資訊來提高 RSSI 方法的精度。

AoA設計用於資產跟蹤等應用，其中移動的AoA 發射器（例如手機）使用單個天線發送藍牙 LE 定向信號，而固定的 AoA 接收器（例如安裝在天花板上）配備至少有兩個天線的天線陣列。 該天線陣列用於通過使用天線之間的相位差來確定發射器的方向。 可根據信號的波長、天線之間的距離和接收信號的相位來確定到達角。

AoD設計用於室內導航尋路等應用。  AoD 接收器（例如電話）接收由固定 AoD 發射器（例如安裝在天花板上）發射的定向信號，該發射器配備最少有兩個天線的天線陣列。 與 AOA 一樣，通過使用信號的相位資訊來確定角度。

藍牙 5.1 定頻擴展信號 （CTE）

要啟用AoA 和 AoD，必須測量信號的相位。 針對定向，藍牙 5.1核心規範增加了一個定頻擴展 （CTE） 欄位，該字段是一個位序列，持續時間在 16 微秒到 160 微秒之間。 只有以 1 Mbps 的速率（強制速率，也可選擇 2 Mbps）運行的藍牙 LE 支援 CTE。  CTE 欄位包含一系列經過調製的 1 位，必須使用恆定波長以一種頻率發射，以便測量接收信號的相位。 因此，信號不受白化的影響，白化是一種對信號進行加擾以確保不會出現長串 1 或 0 的過程。

成功引入定位服務技術的關鍵是位置測量的精度。 藍牙 5.1 的目標是提供亞米級的精度。 驗證解決方案在確保系統性能方面發揮著重要作用。

如何測試藍牙 5.1？

藍牙SIG 更新了藍牙 PHY 測試規範，其中包含對這些全新定向功能的驗證。 為 AoA 和 AoD 方法的發射器和接收器測試增加了新的測試用例，支援 1 Mbps 和 2 Mbps 藍牙數據速率的各種組合，以及標準中支援的 1 微秒及 2 微秒切換和採樣時間。 總體而言，PHY 測試中增加了 23 個全新測試用例，可涵蓋 AoA 和 AoD。

CTE 是藍牙的新概念，測試用例旨在確保它可由發射器正確生成。 在接收器端，務必確保接收器 CTE 的 IQ 測量值可用於準確推匯出信號的相位。

圖5給出了 AoA 和 AoD 發射器和接收器測試的完整測試設置。  LitePoint 的 IQxel-MW 7G 支援新的定向測試案例。 此外，LitePoint還提供 IQfact+ 套件，可為領先的藍牙 5.1 晶片組提供完全自動化的 DUT 和測試儀控制。

AoA 發射器與接收器測試

在 AoA 發射器（通常是行動裝置）中，設備只有一個天線，並且 PDU 結束時無需開關即可連續發射 CTE 字段。 測試儀會在接收信號上驗證 CTE 信號的最大峰值功率和平均功率，以及這些已發送信號的載波頻率偏移和載波漂移。

AoA接收器更為複雜，因為它有多個天線和一個開關，因此當接收到測試儀發送的 CTE 信號時，接收器會按照預定的模式在陣列中的多個天線之間切換。 切換時間為標準中定義的 1 微秒或 2 微秒。 此外，DUT還會在標準中定義的 1 微秒或 2 微秒已分配採樣時隙期間對接收到的 CTE 進行採樣。  DUT 獲取的 IQ 樣本會發送到測試儀進行分析，以確保相位測量符合規範。

AoD 接收器和發射器測試

AoD接收器（具有單天線的行動裝置）需要在正確的採樣時隙對接收到的 CTE 信號進行採樣。 為了驗證這一點，DUT 獲取的 IQ 樣本會發送到測試儀進行處理和分析。 與 AoA 接收器測試一樣，該測試驗證從採樣得出的相位值是否符合規範。

AoD 發射器設備的天線陣列至少有兩個天線，因此發射器測試會驗證天線切換是否發生在 CTE 的正確已分配時隙期間以及天線陣列內的切換模式是否正確。

有關LitePoint 的藍牙 5.1 測試解決方案的更多資訊，請存取 IQxel-MW 7G 和 IQfact+ 頁面。

有關更多資訊，請下載有關測試 Bluetooth^® 5.1 的應用筆記或有關該主題的網路研討會重播。