深入了解蓝牙5.1定向增强功能的工作原理

蓝牙嵌入在大多数手机和无数消费电子设备中，主要用于音频流和数据传输。这种无线技术还广泛用于接近感应，接近感应使用从接收信号强度指示器 (RSSI) 测量得出的距离估值。

然而，RSSI 方法仅提供粗略的距离估值，因为精度受到许多因素的限制，例如环境障碍物导致的信号衰减、发射器功率和接收器校准。此外，由于接收器无法告知传入信号的方向，因此设备的方向也是未知的；只能检测到被跟踪设备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 核心规范中引入了定向增强功能。

与前几代技术相比，蓝牙 5.1 功能极大提高了定位精度，而且具有新的定向增强功能，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。

现在来深入了解定向增强功能的工作原理。

到达角 (AoA)

到达角 (AoA) 设计用于资产跟踪等应用，其中移动发射器使用单根天线发送蓝牙 5.1 定向信号。利用此方法，固定接收器（配有包含最少 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。角度的确定基于接收器的天线阵列检测到的接收信号的相位差。

离开角 (AoD)

离开角 (AoA) 设计用于室内导航寻路等应用，例如，购物中心中的人想要定位商店。借助 AoD，移动接收器使用单根天线接收蓝牙 5.1 定向信号。信号由固定发射器发射，此发射器通过至少由 2 根天线组成的天线阵列进行开关。接收器使用来自传入信号的相位差确定发射器的方向。

定频扩展信号 (CTE)

要在蓝牙 5.1 中启用 AoA 和 AoD 定向，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，该字段是位于数据包末尾的一个位序列，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。  

测试蓝牙 5.1 CTE

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，所支持蓝牙数据速率（1 Mbps 和 2 Mbps）的各种组合，以及标准中支持的 1 微秒及 2 微秒开关和采样时间。 

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。这些测试未采用跳跃模式，而是在单个频率/信道上执行。下表总结了测试套件文档中的测试用例和相应的部分：

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，测试验证接收 CTE 的 IQ 测量值是否可用于准确推导出信号的相位。

具有定向功能的蓝牙 5.1 设备仍然只需要一个收发器，但 AoA 接收器和 AoD 发射器需要多个天线才能测量相位差。由 2 个或更多天线组成的天线阵列由一个开关控制。

相位测量的准确度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。 

测试旨在确保来自被测设备 (DUT) 的 I/Q 采样产生准确的相位测量结果，而测试仪则执行测试信号生成以及 DUT I/Q 采样的提取和分析。测试仪验证从 I/Q 数据采样得出的测量相对相位值是否在规范限制内。此外，动态范围测试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能力。 

结语：

蓝牙 5.1 中的 AoA 和 AoD 定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。

注：

中文原作刊登于：https://www.ednchina.com/news/m8191.html

英语原文刊登于：https://www.everythingrf.com/community/bluetooth-low-energy-5-1-angle-of-arrival-and-angle-of-departure-test-considerations

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原文标题：蓝牙低功耗 5.1 - 到达角和离开角的测试条件

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审核编辑：汤梓红