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

一、介紹

藍牙技術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，不僅包括數據傳輸，還開發出距離檢測、測向等應用。

當前藍牙技術的應用變得更廣泛，而且圍繞連接測試和認證測試也發展到了一個大型生態系統，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驗而開發的，是確保藍牙硬件性能的射頻測試環境中不可替代的工具，它既可用于評估正在開發的產品，也可用于產品的生產制造中。

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據速率（EDR），支持更快的數據速率（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在內的無線系統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規范相比，藍牙低功耗規范進行了簡化，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年。此外，增加同時連接的設備來支持mesh網絡聚合。

2.2 藍牙低功耗在物理層的優勢

藍牙低功耗物理層標準使用與基本速率相同的GFSK調制方法，其主要目標是擴展物理層相關功能，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據包格式，如圖1所示。

圖 1     低功耗物理層數據包格式

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

LE標準是將數據編碼到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數據包的末尾附加一個稱為恒定音調擴展的連續信號（通過相對于載波頻率+1MHz上發送連續位1的未調制信號）。（圖 2 所示）

圖 2   恒音擴展（CTE）結構

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的。當發送（或接收）恒定音調擴展時，在天線陣列的一側將使用時間共享。天線以恒定的時間間隔依次切換。（圖 6 和 7 所示）

單天線側僅使用傳統的物理層來發送或接收信號，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室內位置檢測等技術。

測向架構

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

圖 3  到達方向檢測

在多天線陣列接收單根天線發出的信號時，根據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出的信號時，多天線的Tx方向對應的距離存在差異（請參考圖 4）。通過檢測Rx側天線之間的相位差，可以找到偏離方向。

圖 4  出發方向檢測

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側已知天線位置關系和切換間隔。

圖 5 AoA 檢測

出發角度（AoD）

在檢測出發方向時，如圖6所示，單天線接收多天線分時發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送信號，因此接收端可以根據數據包頭的時間信息來接收哪個位置和哪個天線的信號。知道天線位置關系和固定順序的一側（無論它是Tx還是Rx）可以從天線之間的相位差中找到出發方向。

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)