藍(lán)牙AoA技術(shù)的工作原理和設(shè)計(jì)原則

本文作者：Denis Zebrowski，安森美（onsemi）現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用系統(tǒng)工程師

Bluetooth核心規(guī)范v5.1是藍(lán)牙技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重大進(jìn)步，尤其是其測(cè)向功能。這一功能提高了定位服務(wù)的精度，對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航和資產(chǎn)跟蹤等應(yīng)用至關(guān)重要。

圖1：使用藍(lán)牙到達(dá)角技術(shù)的醫(yī)療保健需求不斷增長(zhǎng)

藍(lán)牙測(cè)向是一項(xiàng)尖端技術(shù)，可增強(qiáng)各種設(shè)備的定位服務(wù)。有兩種方法可以遵循：到達(dá)角（AoA）和出發(fā)角（AoD）。

在零售應(yīng)用中，提供對(duì)貨品流動(dòng)、利用率和行為模式洞察的數(shù)據(jù)模型正在得到大力開(kāi)發(fā)，以生成與業(yè)務(wù)相關(guān)的KPI，例如服務(wù)時(shí)長(zhǎng)、最常用的路線(xiàn)、熱點(diǎn)和其他消費(fèi)者行為指標(biāo)（圖2）。

圖2：零售店平面圖上可視化的“最常用”零售數(shù)據(jù)示例

藍(lán)牙測(cè)向方法的多功能性，如無(wú)連接和面向連接的操作模式，使其能夠適應(yīng)更廣泛的應(yīng)用，并有望在未來(lái)幾年在無(wú)線(xiàn)通信和定位服務(wù)領(lǐng)域開(kāi)辟新的前景。

AoA是如何工作的，基本的設(shè)計(jì)原則是什么？

AoA和AoD方法都利用了射頻信號(hào)測(cè)量的相同基本原理，但在信號(hào)處理和天線(xiàn)配置方法上有所不同。通過(guò)利用天線(xiàn)陣列，設(shè)備可以比以往更準(zhǔn)確地確定信號(hào)的方向（圖3）。

測(cè)向系統(tǒng)由以下元素組成：

發(fā)送器（AoA標(biāo)簽）

接收器（AoA定位器）

角度和位置處理單元

藍(lán)牙技術(shù)采用的測(cè)向技術(shù)涉及發(fā)射器發(fā)送恒定音頻擴(kuò)展(CTE)信號(hào)。然后，配備多個(gè)天線(xiàn)的接收器使用該信號(hào)來(lái)確定源的方向（圖4）。

圖4：附加到藍(lán)牙LE數(shù)據(jù)包的CTE位

AoA機(jī)制的主要原理可以概括為幾個(gè)步驟（圖5）：

1.標(biāo)簽通過(guò)在主頻道上廣播擴(kuò)展來(lái)發(fā)起通信，然后在次要頻道上定期廣播。

2.定位器旨在檢測(cè)此擴(kuò)展廣播、與標(biāo)簽同步，然后捕獲包含CTE信號(hào)的定期廣播。

3.定位器對(duì)CTE信號(hào)進(jìn)行采樣，產(chǎn)生一組稱(chēng)為IQ樣本的數(shù)據(jù)。

4.這些IQ樣本由角度計(jì)算器處理，以確定標(biāo)簽和定位器之間的角度。

5.知道標(biāo)簽和多個(gè)定位器之間的角度后，系統(tǒng)可以對(duì)標(biāo)簽的位置進(jìn)行三角測(cè)量，從而在無(wú)連接AoA模式下實(shí)現(xiàn)精確的位置跟蹤。

圖5：AoA測(cè)向系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流

當(dāng)發(fā)射器發(fā)射信號(hào)時(shí)，它以光速在三維空間中從發(fā)射器向外傳播。其路徑描繪的是一個(gè)不斷膨脹的球體。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算到達(dá)角或出發(fā)角的思路，讓我們只考慮二維，即在二維笛卡爾平面上。這種情況目前在資產(chǎn)跟蹤應(yīng)用中最為常見(jiàn)，因?yàn)榕c物體高度相對(duì)應(yīng)的第三個(gè)坐標(biāo)并不重要（圖6）。

圖6：到達(dá)角原理

通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)接收天線(xiàn)之間的相位差(Ψ2 - Ψ 1)，假設(shè)它們之間的距離(d)和信號(hào)波長(zhǎng)(λ)已知，則可以使用基本三角學(xué)計(jì)算信號(hào)的角度。

I/Q解調(diào)是現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)電接收器中的關(guān)鍵步驟。它涉及從接收到的原始CTE信號(hào)中提取I和Q數(shù)據(jù)分量。也就是說(shuō)，RF輸入乘以復(fù)數(shù)相量（I和Q分量），然后進(jìn)行濾波和降采樣以產(chǎn)生IQ數(shù)據(jù)流（圖7）。

圖7：左側(cè)為IQ坐標(biāo)圖，右邊是通過(guò)4天線(xiàn)陣列測(cè)量的IQ平面可視化標(biāo)簽位置

以下是典型的工作流程（圖8）：

下變頻：I/Q數(shù)據(jù)乘以載波頻率或載波頻率附近的復(fù)相量（正弦和余弦對(duì)）。此操作將信號(hào)向下移動(dòng)到較低的中頻（IF）。

低通濾波：下變頻后，低通濾波器去除不需要的高頻成分，只留下基帶信號(hào)。

抽?。簩?duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行下采樣，以降低數(shù)據(jù)速率，同時(shí)保留基本信息。

圖8：藍(lán)牙設(shè)備射頻前端的IQ數(shù)據(jù)解調(diào)

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)和行業(yè)限制

在輸出端提供第三個(gè)笛卡爾坐標(biāo)的更精確的定位系統(tǒng)中，需要計(jì)算至少兩個(gè)角度來(lái)顯示發(fā)射器和接收器在三維空間中的關(guān)系（三角測(cè)量）。要獲得第二個(gè)角度，需要第二個(gè) AoA 定位器。這兩個(gè)角度稱(chēng)為方位角和仰角。

另一種方法不需要測(cè)量任何角度，稱(chēng)為三邊測(cè)量法。它通常使用飛行時(shí)間 (ToF) 測(cè)量距離來(lái)實(shí)現(xiàn)，為此使用信道探測(cè) (藍(lán)牙 5.4) 或其超寬帶 (UWB) 技術(shù)。

隨藍(lán)牙核心規(guī)范 5.4 版發(fā)布的信道探測(cè) (CS)，在藍(lán)牙術(shù)語(yǔ)中也稱(chēng)為高精度距離測(cè)量 (HADM)，可視為基于 RSSI 的距離測(cè)量的高精度替代方案。借助 CS，已經(jīng)使用低功耗藍(lán)牙的應(yīng)用程序，無(wú)需額外硬件成本即可獲得更高的精度。

表1：藍(lán)牙LE測(cè)距技術(shù)比較

安森美的RSL15 AoA解決方案

安森美開(kāi)發(fā)的RSL15 5.2微控制器可以通過(guò)AoA方法提供可靠的資產(chǎn)跟蹤。該項(xiàng)目由兩個(gè)獨(dú)立的部分組成：

監(jiān)聽(tīng)器：ble_Scanner_DF_定位板上運(yùn)行的多個(gè)應(yīng)用程序。

廣播器：在標(biāo)簽板上運(yùn)行的ble_Advertiser_DF應(yīng)用程序。

監(jiān)聽(tīng)器和廣播器的無(wú)線(xiàn)核心是安森美的RSL15 5.2系統(tǒng)芯片?；蛘?，基于相同安森美產(chǎn)品的更集成的解決方案是Murata的System in Package 2EG設(shè)備（圖9）。

監(jiān)聽(tīng)器項(xiàng)目負(fù)責(zé)接收廣播標(biāo)簽發(fā)送的CTE信號(hào)，從中獲得IQ樣本。

這些樣本被發(fā)送到PC或云上運(yùn)行的應(yīng)用程序，以計(jì)算監(jiān)聽(tīng)器和廣播器之間的角度。最后，將計(jì)算出的角度轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)，并映射到二維或三維。

圖9：從藍(lán)牙LE標(biāo)簽到實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)的完整端到端解決方案

上述兩個(gè)應(yīng)用程序的示例代碼都可以在安森美 CMSIS包中免費(fèi)獲得，該包可以從安森美網(wǎng)站下載（圖10）。

圖10：連接和無(wú)連接模式的安森美代碼示例

每個(gè)人都可以下載并使用安森美功率估算器工具來(lái)驗(yàn)證使用哪些通信參數(shù)和方案，并最大限度地延長(zhǎng)電池壽命。這為預(yù)期的系統(tǒng)性能和限制提供了寶貴的理論參考（圖11）。

圖11:安森美電池壽命估算器和測(cè)向指標(biāo)

CoreHW設(shè)計(jì)并提供多種尺寸的天線(xiàn)陣列板，可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的卓越定位精度。這些可立即投入生產(chǎn)的天線(xiàn)板的頻率范圍為 2400-2483 MHz，最多有 16 個(gè)單端天線(xiàn)端口（圖 12）。

圖12: 安森美 RSL15 EVB 位于 coreHW 定位器內(nèi)部

天線(xiàn)包含用于天線(xiàn)選擇的CHW1010 SP16T藍(lán)牙AoA和AoD天線(xiàn)開(kāi)關(guān)，以及用于射頻和數(shù)字控制信號(hào)的連接器，以便于連接BLE SoC控制板（圖13）。

圖13：核心硬件天線(xiàn)陣列

Unikie 的低功耗藍(lán)牙定位引擎專(zhuān)為實(shí)時(shí)跟蹤低功耗藍(lán)牙標(biāo)簽而設(shè)計(jì)。生成的數(shù)據(jù)可以在邊緣服務(wù)器或云端處理，確保靈活性和成本效益（圖 14）。此外，該引擎的 API 有助于與企業(yè)系統(tǒng)無(wú)縫集成，支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)建模。這使得人們能夠更深入地了解物料流轉(zhuǎn)、利用率和行為模式，標(biāo)志著基于位置的服務(wù)和資產(chǎn)管理取得了顯著進(jìn)展。

圖14：Unikie的定位應(yīng)用軟件引擎

結(jié)論 – RSL15 解決方案如何幫助解決行業(yè)挑戰(zhàn)？該解決方案有何不同？

成功采用藍(lán)牙測(cè)向技術(shù)的關(guān)鍵先決條件仍然是標(biāo)簽設(shè)備的使用壽命和成本。在安森美，我們將藍(lán)牙 SoC 視為朝著這一目標(biāo)邁出的一大步，我們始終專(zhuān)注于以合理的成本向市場(chǎng)提供一流的超低功耗無(wú)線(xiàn)技術(shù)。

我們共同致力于分享有關(guān)此類(lèi)系統(tǒng)實(shí)施的知識(shí)，使我們的客戶(hù)更輕松地進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并幫助消除人們與這項(xiàng)變革性技術(shù)之間的差距，以便在日常生活中充分利用該技術(shù)。