藍牙低功耗5.1:到達角和離開角測試注意事項

作者 : Eve Danel,LitePoint資深產品行銷經理

藍牙5.1中的AoA和AoD尋向增強功能,可以極大地提高資產追蹤或尋路等各種用例的定位準確度。AoA發射器和接收器功能以及AoD發射器和接收器功能的驗證測試,對於確保成功至關重要。

大多數的手機和無數的消費電子裝置中都嵌入了藍牙(Bluetooth),主要用於實現音訊串流傳輸和資料傳輸。這種無線技術還被廣泛部署於接近感應,即透過接收訊號強度指示(RSSI)測量得到的距離資訊進行估算。

然而,RSSI方法由於精度受到許多因素限制——例如環境障礙物所導致訊號衰減、發射器功率級以及接收器校準——因此僅能提供粗略的距離估計。此外,由於接收器無法判斷傳入訊號的方向,因此裝置的方向也是未知的,它只能偵測被追蹤裝置是否位於接收器周圍的圓形區域。雖然RSSI方法在市場上被廣泛採用,但由於技術限制,其用途主要受限於接近檢測。

藍牙5.1帶來新定位功能

有許多用例都需要高準確度以實現室內定位,例如用於資產追蹤的即時定位系統或室內定位系統(IPS),因此,藍牙技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group;SIG)在藍牙5.1 (Bluetooth 5.1)核心規範中納入了尋向(direction-finding)增強功能。

相較於前幾代技術,藍牙5.1的功能極大地提高了定位準確度,而且具有新的尋向增強功能,可以確定到達角(Angle of Arrival;AoA)或離開角(Angle of Departure;AoD)資訊。根據建置方式和環境細節,藍牙5.1定向方法可提供低於1M級的準確度。如此高的定位準確度讓無數新的用例成為可能,包括追蹤醫療或工業環境中的資產或人員、公共或私人場所的尋路以及尋找智慧零售或者個人物品等。

現在來深入瞭解尋向增強功能的工作原理。

到達角(AoA)

到達角(AoA)旨在實現資產追蹤等應用,其中,移動中發射器使用單根天線發送藍牙5.1尋向訊號(1)。利用這種方法,固定接收器(配有最少包含2根天線的天線陣列)使用接收訊號的角度來確定發射器的方向。角度的確定是根據接收器天線陣列所偵測到的接收訊號之相位差。

1:到達角(AoA)

離開角(AoD)

離開角(AoA)旨在實現室內導航尋路等應用,例如,在購物中心中有人想要定位某家商店。藉由AoD,移動中接收器使用單根天線接收藍牙5.1尋向訊號(2)。訊號是由固定發射器透過至少由2根天線組成的天線陣列開關進行發射。接收器則使用來自傳入訊號的相位差確定發射器的方向。

2:離開角(AoD)

定頻擴展訊號(CTE)

為了在藍牙5.1中啟用AoA和AoD尋向,就必須測量接收訊號的訊號相位。為此,藍牙5.1包含了一個固定頻率擴展(CTE)訊號欄位,也即位於資料封包末尾的一個位元序列,其持續時間在16μs到160μs之間(3)。CTE只對以1Mbps強制速率或2Mbps可選速率工作的藍牙低功耗(BLE)提供支援。CTE欄位包含一系列已調變的1,必須對其使用某種恒定的波長以某種頻率進行發射,以便測量所接收訊號的相位。因此,訊號就不受白化的影響,白化是一種對訊號進行加擾以確保不會出現長串1或0的過程。

3:具有160μs CTEBLE訊號。

測試藍牙5.1 CTE

藍牙SIG更新了Bluetooth PHY測試規範,以包含對這些全新尋向功能的驗證。這一規範並為AoA和AoD方法的發射器和接收器測試、所支援的藍牙資料速率(1Mbps和2Mbps)之各種組合,以及標準中所支援的1μs及2μs開關和採樣時間增加了新的測試用例。

總體而言,PHY測試中增加了23個全新測試用例,以涵蓋AoA和AoD。這些測試未採用跳頻模式,而是在單個頻率/通道上執行。4總結了測試套件檔案中的測試用例及其相應部份。

4:測試用例表。

CTE是藍牙的一種新概念,測試用例旨在確保它可由發射器正確產生。在接收器端,必須通過測試驗證所接收CTE的IQ測量值是否可用於準確得出訊號的相位。

具有尋向功能的藍牙5.1裝置,仍然只需要一個收發器,但AoA接收器和AoD發射器需要多根天線才能測量相位差。由2根或更多天線組成的天線陣列,由一個開關進行控制。

相位測量的準確度,在很大程度上取決於天線陣列的開關和採樣時間以及開關和採樣序列。

測試的目的是確保讓來自待測裝置(DUT)的I/Q樣本產生準確的相位測量結果,而測試儀則用於執行測試訊號的產生和提取以及DUT I/Q樣本的分析。測試儀用於驗證從I/Q資料樣本所得出的相對相位測量值是否在規範限制內。此外,動態範圍測試則透過改變不同天線上發射的訊號大小來驗證接收器的動態範圍性能。

總結

藍牙5.1中的AoA和AoD尋向增強功能,可以極大地提高資產追蹤或尋路等各種用例的定位準確度。AoA發射器和接收器功能以及AoD發射器和接收器功能的驗證測試,對於確保成功至關重要。

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年11月號雜誌

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