大多数手机和无数消费电子设备中都嵌入了蓝牙，主要用它来实现音频流传输和数据传输。这种无线技术还被广泛用于接近感应，也即通过接收信号强度指示(RSSI)测量得到距离估计。
然而，RSSI方法由于精度受到许多因素限制——例如环境障碍物所导致的信号衰减、发射器功率水平和接收器校准——因此仅能提供粗略的距离估计。此外，由于接收器无法判断传入信号的方向，因此设备的方向也是未知的，也即只能检测被跟踪设备是否位于接收器周围的一个圆形区域内。虽然RSSI方法在市场上被广泛采用，但由于技术限制，其用途主要限制于粗略检测。
蓝牙5.1带来新的定位功能
有许多用例都需要高精度来实现室内定位，例如用于资产跟踪的实时定位系统或室内定位系统(IPS)，因此蓝牙技术联盟(SIG)在蓝牙5.1核心规范中引入了寻向增强功能。
与前几代技术相比，蓝牙5.1功能极大提高了定位精度，而且具有新的寻向增强功能，可以确定到达角(AoA)或离开角(AoD)信息。根据实现方式和环境细节，蓝牙5.1定向方法可提供亚米级的精度。如此高的定位精度让无数新的用例成为可能，包括医疗或工业环境中的资产或人员跟踪、公共或私人场所的寻路、智能零售或者个人物品寻找。
现在来深入了解下寻向增强功能的工作原理。
到达角(AoA)
到达角(AoA)旨在实现资产跟踪等应用，其中，移动发射器使用单根天线发送蓝牙5.1寻向信号(图1)。利用这种方法，固定接收器(配有最少包含2根天线的天线阵列)使用接收信号的角度来确定发射器的方向。角度的确定是基于接收器天线阵列所检测到的接收信号的相位差。
图1：到达角。
离开角(AoD)
离开角(AoA)旨在实现室内导航寻路等应用，例如，购物中心当中有人想要定位某个商店。借助AoD，移动接收器使用单根天线接收蓝牙5.1寻向信号(图2)。信号是由固定发射器通过至少由2根天线组成的天线阵列开关进行发射。接收器则使用来自传入信号的相位差确定发射器的方向。
图2：离开角。
定频扩展信号(CTE)
要在蓝牙5.1中启用AoA和AoD寻向，就必须测量接收信号的信号相位。为此，蓝牙5.1包含了一个恒定音调扩展(CTE)字段，也即位于数据包末尾的一个位序列，其持续时间在16μs到160μs之间(图3)。CTE只对以1Mbps强制速率或2Mbps可选速率工作的蓝牙低功耗(BLE)提供支持。CTE字段包含一系列已调制的1，必须对其使用某种恒定的波长以某种频率进行发射，以便测量所接收信号的相位。因此，信号就不受白化的影响，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3：具有160μs CTE的BLE信号。
测试蓝牙5.1 CTE
蓝牙SIG更新了蓝牙PHY测试规范，以包含对这些全新寻向功能的验证。他们为AoA和AoD方法的发射器和接收器测试、所支持的蓝牙数据速率(1Mbps和2Mbps)的各种组合，以及标准中支持的1μs及2μs开关和采样时间增加了新的测试用例。
总体而言，PHY测试中增加了23个全新测试用例，以涵盖AoA和AoD。这些测试未采用跳跃模式，而是在单个频率/信道上执行。图4总结了测试用例集文档中的测试用例和相应的部分。
图4：测试用例表。
CTE是蓝牙的一种新概念，测试用例旨在确保它可由发射器正确生成。在接收器端，则要通过测试验证所接收CTE的IQ测量值是否可用于准确得出信号的相位。
具有寻向功能的蓝牙5.1设备，仍然只需要一个收发器，但AoA接收器和AoD发射器需要多根天线才能测量相位差。由2根或更多天线组成的天线阵列，由一个开关进行控制。
相位测量的准确度，在很大程度上取决于天线阵列的开关和采样时间以及开关和采样序列。
测试的目的是确保让来自被测设备(DUT)的I/Q样本产生准确的相位测量结果，而测试仪则用于执行测试信号的生成和提取以及DUT I/Q样本的分析。测试仪用于验证从I/Q数据样本所得出的相对相位测量值是否在规范限制内。此外，动态范围测试则用于通过改变不同天线上发射的信号大小来验证接收器的动态范围性能。
总结
蓝牙5.1中的AoA和AoD寻向增强功能，可以极大提高资产跟踪或寻路等各种用例的定位精度。AoA发射器和接收器功能以及AoD发射器和接收器功能的验证测试，对于确保成功至关重要。
（原文标题：Bluetooth Low Energy 5.1 - Angle of Arrival and Angle of Departure Test Considerations。责编：赵明灿。）
本文为《电子技术设计》2021年11月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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