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

一、介绍

蓝牙技术被广泛用于短距离无线设备上，例如耳机、音箱、智能手表等。自从1998年制定了第一个标准以来，蓝牙应用范围就不断扩大，不仅包括数据传输，还开发出距离检测、测向等应用。

当前蓝牙技术的应用变得更广泛，而且围绕连接测试和认证测试也发展到了一个大型生态系统，以确保蓝牙设备之间的出色互连。安立公司于1999年成为蓝牙联盟成员，并从那时起积极参与新标准的引入和互连测试。MT8852B蓝牙测试仪（以下简称MT8852B）是基于这些活动获得的经验而开发的，是确保蓝牙硬件性能的射频测试环境中不可替代的工具，它既可用于评估正在开发的产品，也可用于产品的生产制造中。

MT8852B具有在射频测试中控制蓝牙设备的功能，是配置独立测量环境的理想选择。本文的第二部分将重点介绍其在蓝牙测向的新功能。

二、蓝牙低功耗的演进

第一个蓝牙标准涵盖了针对电话耳机这类设备的基本速率（BR），速率为1 Mbps，随后扩展为增强型数据速率（EDR），支持更快的数据速率（2和3 Mbps），以满足例如音乐传输这样需要支持更高的速率的应用。随后发布蓝牙低功耗 BLE（1 Mbps）标准，以降低其功耗延长电池，而不像例如移动手机和无线LAN在内的无线系统的目的是为了更高的速率。

2.1 什么是蓝牙低功耗

与BR和EDR规范相比，蓝牙低功耗规范进行了简化，旨在通过采用灵活控制通信时序的配置来降低功耗。因此，温度传感器等远程设备仅使用一个小的纽扣电池即可运行数年。此外，增加同时连接的设备来支持mesh网络聚合。

2.2 蓝牙低功耗在物理层的优势

蓝牙低功耗物理层标准使用与基本速率相同的GFSK调制方法，其主要目标是扩展物理层相关功能，同时最大限度地减少硬件修改。表1列出部分蓝牙低功耗物理层规范和特点。

表 1  蓝牙标准的物理层特点

对于不同的低功耗标准还有不同的物理层数据包格式，如图1所示。

图 1     低功耗物理层数据包格式

2LE标准将传输速率从 1 Mbps提高到 2 Mbps，同时沿用BLE数据包格式，不包括Preamble。但是，Preamble长度的比特数翻倍到2个八位字节，为的是与时间长度一样，确保检测到物理层的类型。

LE标准是将数据编码到2倍长度或8倍长度（不包括Preamble）来获得编码增益，以实现更远距离传输。这里的Preamble要比BLE下的Preamble长10倍，以确保在低电量下也能维持同步。

测向（Direction Finding）在正常的BLE和2LE数据包的末尾附加一个称为恒定音调扩展的连续信号（通过相对于载波频率+1MHz上发送连续位1的未调制信号）。（图 2 所示）

图 2   恒音扩展（CTE）结构

2.3 测向

蓝牙的测向是通过Tx或Rx天线阵列中的一个和其他单天线的组合来实现的。当发送（或接收）恒定音调扩展时，在天线阵列的一侧将使用时间共享。天线以恒定的时间间隔依次切换。（图 6 和 7 所示）

单天线侧仅使用传统的物理层来发送或接收信号，通过使用原始未修改的硬件来帮助降低成本。此外，通过在多个位置进行测向可以实现室内位置检测等技术。

测向架构

测向是通过将天线之间的距离差转换为相位差来实现的。图3 和图 4 所示为使用两天线模型，对无线信号的出发与到达的检测原理。

图 3  到达方向检测

在多天线阵列接收单根天线发出的信号时，根据多根天线之间的到达方向不同，距离会有所不同（请参考图 3）。如果到达角为θ，而天线之间的距离为d，则相位差f取决于天线之间的距离差dcos(θ)，公式为：f=2лdcos(θ)/λ 。这里，λ是信号波长，而接收端的到达角θ可从这两个天线测量所得，并且：θ=arccos((fλ/(2лd))  —  请注意天线距离d信息存储在接收设备配置文件中。相反，当单天线接收到多天线发出的信号时，多天线的Tx方向对应的距离存在差异（请参考图 4）。通过检测Rx侧天线之间的相位差，可以找到偏离方向。

图 4  出发方向检测

到达角度（AoA）

为了检测到达方向，如图5所示，多天线分时接收单天线发送的信号的恒音扩展（CTE）部分，并通过检测天线之间的相位差来找到到达方向。另外利用每个天线之间的相位差来找到到达方向，因为Rx侧已知天线位置关系和切换间隔。

图 5 AoA 检测

出发角度（AoD）

在检测出发方向时，如图6所示，单天线接收多天线分时发送的信号的恒音扩展（CTE）部分，通过检测天线之间的相位差来确定方向。由于此时Tx端以预定的时间间隔和天线顺序发送信号，因此接收端可以根据数据包头的时间信息来接收哪个位置和哪个天线的信号。知道天线位置关系和固定顺序的一侧（无论它是Tx还是Rx）可以从天线之间的相位差中找到出发方向。

图 6   AoD 检测

三、AoA/AoD物理层测试用例

在AoA和AoD测试用例中，恒音扩展（CTE）的Tx和Rx性能将会影响其精度。为保证相位差检测精度，蓝牙射频测试规范新增了表 2 中列出的 AoA 和 AoD 射频测试用例。

表 2  AoA和AoD射频测试用例 (RF-PHY.TS.p15)

关键词:蓝牙 低功耗 方向定位 测试

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来 源：安立通讯科技Anritsu

编辑：清风

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