作者：Yoshihide Goto, Akihisa Kumaki, Takashi Nakano | Anritsu

一、介紹

藍牙技術(shù)被廣泛用于短距離無線設備上，例如耳機、音箱、智能手表等。自從1998年制定了第一個標準以來，藍牙應用范圍就不斷擴大，不僅包括數(shù)據(jù)傳輸，還開發(fā)出距離檢測、測向等應用。

當前藍牙技術(shù)的應用變得更廣泛，而且圍繞連接測試和認證測試也發(fā)展到了一個大型生態(tài)系統(tǒng)，以確保藍牙設備之間的出色互連。安立公司于1999年成為藍牙聯(lián)盟成員，并從那時起積極參與新標準的引入和互連測試。MT8852B藍牙測試儀（以下簡稱MT8852B）是基于這些活動獲得的經(jīng)驗而開發(fā)的，是確保藍牙硬件性能的射頻測試環(huán)境中不可替代的工具，它既可用于評估正在開發(fā)的產(chǎn)品，也可用于產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中。

MT8852B具有在射頻測試中控制藍牙設備的功能，是配置獨立測量環(huán)境的理想選擇。本文的第二部分將重點介紹其在藍牙測向的新功能。

二、藍牙低功耗的演進

第一個藍牙標準涵蓋了針對電話耳機這類設備的基本速率（BR），速率為1 Mbps，隨后擴展為增強型數(shù)據(jù)速率（EDR），支持更快的數(shù)據(jù)速率（2和3 Mbps），以滿足例如音樂傳輸這樣需要支持更高的速率的應用。隨后發(fā)布藍牙低功耗 BLE（1 Mbps）標準，以降低其功耗延長電池，而不像例如移動手機和無線LAN在內(nèi)的無線系統(tǒng)的目的是為了更高的速率。

2.1 什么是藍牙低功耗

與BR和EDR規(guī)范相比，藍牙低功耗規(guī)范進行了簡化，旨在通過采用靈活控制通信時序的配置來降低功耗。因此，溫度傳感器等遠程設備僅使用一個小的紐扣電池即可運行數(shù)年。此外，增加同時連接的設備來支持mesh網(wǎng)絡聚合。

2.2 藍牙低功耗在物理層的優(yōu)勢

藍牙低功耗物理層標準使用與基本速率相同的GFSK調(diào)制方法，其主要目標是擴展物理層相關(guān)功能，同時最大限度地減少硬件修改。表1列出部分藍牙低功耗物理層規(guī)范和特點。

表 1  藍牙標準的物理層特點

對于不同的低功耗標準還有不同的物理層數(shù)據(jù)包格式，如圖1所示。

圖 1     低功耗物理層數(shù)據(jù)包格式

2LE標準將傳輸速率從 1 Mbps提高到 2 Mbps，同時沿用BLE數(shù)據(jù)包格式，不包括Preamble。但是，Preamble長度的比特數(shù)翻倍到2個八位字節(jié)，為的是與時間長度一樣，確保檢測到物理層的類型。

LE標準是將數(shù)據(jù)編碼到2倍長度或8倍長度（不包括Preamble）來獲得編碼增益，以實現(xiàn)更遠距離傳輸。這里的Preamble要比BLE下的Preamble長10倍，以確保在低電量下也能維持同步。

測向（Direction Finding）在正常的BLE和2LE數(shù)據(jù)包的末尾附加一個稱為恒定音調(diào)擴展的連續(xù)信號（通過相對于載波頻率+1MHz上發(fā)送連續(xù)位1的未調(diào)制信號）。（圖 2 所示）

圖 2   恒音擴展（CTE）結(jié)構(gòu)

2.3 測向

藍牙的測向是通過Tx或Rx天線陣列中的一個和其他單天線的組合來實現(xiàn)的。當發(fā)送（或接收）恒定音調(diào)擴展時，在天線陣列的一側(cè)將使用時間共享。天線以恒定的時間間隔依次切換。（圖 6 和 7 所示）

單天線側(cè)僅使用傳統(tǒng)的物理層來發(fā)送或接收信號，通過使用原始未修改的硬件來幫助降低成本。此外，通過在多個位置進行測向可以實現(xiàn)室內(nèi)位置檢測等技術(shù)。

測向架構(gòu)

測向是通過將天線之間的距離差轉(zhuǎn)換為相位差來實現(xiàn)的。圖3 和圖 4 所示為使用兩天線模型，對無線信號的出發(fā)與到達的檢測原理。

圖 3  到達方向檢測

在多天線陣列接收單根天線發(fā)出的信號時，根據(jù)多根天線之間的到達方向不同，距離會有所不同（請參考圖 3）。如果到達角為θ，而天線之間的距離為d，則相位差f取決于天線之間的距離差dcos(θ)，公式為：f=2лdcos(θ)/λ 。這里，λ是信號波長，而接收端的到達角θ可從這兩個天線測量所得，并且：θ=arccos((fλ/(2лd))  —  請注意天線距離d信息存儲在接收設備配置文件中。相反，當單天線接收到多天線發(fā)出的信號時，多天線的Tx方向?qū)木嚯x存在差異（請參考圖 4）。通過檢測Rx側(cè)天線之間的相位差，可以找到偏離方向。

圖 4  出發(fā)方向檢測

到達角度（AoA）

為了檢測到達方向，如圖5所示，多天線分時接收單天線發(fā)送的信號的恒音擴展（CTE）部分，并通過檢測天線之間的相位差來找到到達方向。另外利用每個天線之間的相位差來找到到達方向，因為Rx側(cè)已知天線位置關(guān)系和切換間隔。

圖 5 AoA 檢測

出發(fā)角度（AoD）

在檢測出發(fā)方向時，如圖6所示，單天線接收多天線分時發(fā)送的信號的恒音擴展（CTE）部分，通過檢測天線之間的相位差來確定方向。由于此時Tx端以預定的時間間隔和天線順序發(fā)送信號，因此接收端可以根據(jù)數(shù)據(jù)包頭的時間信息來接收哪個位置和哪個天線的信號。知道天線位置關(guān)系和固定順序的一側(cè)（無論它是Tx還是Rx）可以從天線之間的相位差中找到出發(fā)方向。

圖 6   AoD 檢測

三、AoA/AoD物理層測試用例

在AoA和AoD測試用例中，恒音擴展（CTE）的Tx和Rx性能將會影響其精度。為保證相位差檢測精度，藍牙射頻測試規(guī)范新增了表 2 中列出的 AoA 和 AoD 射頻測試用例。

表 2  AoA和AoD射頻測試用例 (RF-PHY.TS.p15)