利用創(chuàng )新的Bluetooth核心規范v5.1中的到達角（AoA）增強室內定位服務(wù)

Bluetooth^?核心規范v5.1 是藍牙技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重大進(jìn)步，尤其是其測向功能。這一功能提高了定位服務(wù)的精度，對室內導航和資產(chǎn)跟蹤等應用至關(guān)重要。

藍牙測向是一項尖端技術(shù)，可增強各種設備的定位服務(wù)。有兩種方法可以遵循：到達角（AoA）和出發(fā)角（AoD）。

圖1 使用藍牙到達角技術(shù)的醫療保健需求不斷增長(cháng)

在零售應用中，提供對貨品流動(dòng)、利用率和行為模式洞察的數據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(cháng)、最常用的路線(xiàn)、熱點(diǎn)和其他消費者行為指標（圖2）。

圖2 零售店平面圖上可視化的“最常用”零售數據示例

<VIDEO: How RSL15 Enables Asset-Tracking with Low-Power Bluetooth 5.2>

藍牙測向方法的多功能性，如無(wú)連接和面向連接的操作模式，使其能夠適應更廣泛的應用，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。

＜視頻：RSL15 如何使用低功耗藍牙5.2 實(shí)現資產(chǎn)跟蹤＞

1   AoA是如何工作的，基本的設計原則是什么？

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

圖3 測向系統概述（AoA結構）

向系統由以下元素組成：

●   發(fā)送器（AoA 標簽）

●   接收器（AoA 定位器）

●   角度和位置處理單元

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

圖4 附加到藍牙LE數據包的CTE位

AoA 機制的主要原理可以概括為幾個(gè)步驟（圖5）：

圖5 AoA測向系統的數據流

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

2.定位器旨在檢測此擴展廣播、與標簽同步，然后捕獲包含CTE 信號的定期廣播。

3.定位器對CTE 信號進(jìn)行采樣，產(chǎn)生一組稱(chēng)為IQ 樣本的數據。

4.這些IQ 樣本由角度計算器處理，以確定標簽和定位器之間的角度。

5.知道標簽和多個(gè)定位器之間的角度后，系統可以對標簽的位置進(jìn)行三角測量，從而在無(wú)連接AoA 模式下實(shí)現精確的位置跟蹤。

當發(fā)射器發(fā)射信號時(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)化計算到達角或出發(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)跟蹤應用中最為常見(jiàn)，因為與物體高度相對應的第三個(gè)坐標并不重要（圖6）。

圖6 到達角原理

通過(guò)測量?jì)蓚€(gè)接收天線(xiàn)之間的相位差(Ψ2-Ψ1)，假設它們之間的距離(d)和信號波長(cháng)(λ)已知，則可以使用基本三角學(xué)計算信號的角度。

I/Q解調是現代無(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 信號中提取I 和Q 數據分量。

也就是說(shuō)，RF輸入乘以復數相量（I 和Q 分量），然后進(jìn)行濾波和降采樣以產(chǎn)生IQ數據流（圖7）。

圖7 左側為IQ坐標圖，右邊是通過(guò)4天線(xiàn)陣列測量的IQ平面可視化標簽位置

以下是典型的工作流程（圖8）：

●   下變頻：I/Q 數據乘以載波頻率或載波頻率附近的復相量（正弦和余弦對）。此操作將信號向下移動(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。

●   抽?。?/strong>對濾波后的信號進(jìn)行下采樣，以降低數據速率，同時(shí)保留基本信息。

<了解更多TND6431- 設計節能無(wú)線(xiàn)定位系統（onsemi.cn）>

圖8 藍牙設備射頻前端的IQ數據解調

設計注意事項和行業(yè)限制

在輸出端提供第三個(gè)笛卡爾坐標的更精確的定位系統中，需要計算至少兩個(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量任何角度，稱(chēng)為三邊測量法。它通常使用飛行時(shí)間(ToF)測量距離來(lái)實(shí)現，為此使用信道探測 (藍牙5.4) 或其超寬帶(UWB)技術(shù)。

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

表1 藍牙LE測距技術(shù)比較

2   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。該項目由兩個(gè)獨立的部分組成：

●   監聽(tīng)器：ble_Scanner_DF_ 定位板上運行的多個(gè)應用程序。

●   廣播器：在標簽板上運行的ble_Advertiser_DF 應用程序。

監聽(tīng)器和廣播器的無(wú)線(xiàn)核心是安森美的RSL155.2系統芯片?；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設備（圖9）。

圖9 從藍牙LE標簽到實(shí)時(shí)位置數據的完整端到端解決方案

監聽(tīng)器項目負責接收廣播標簽發(fā)送的CTE信號，從中獲得IQ樣本。這些樣本被發(fā)送到PC或云上運行的應用程序，以計算監聽(tīng)器和廣播器之間的角度。最后，將計算出的角度轉換為笛卡爾坐標，并映射到二維或三維。

上述兩個(gè)應用程序的示例代碼都可以在安森美CMSIS包中免費獲得，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)驗證使用哪些通信參數和方案，并最大限度地延長(cháng)電池壽命。這為預期的系統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向指標

CoreHW 設計并提供多種尺寸的天線(xiàn)陣列板，可實(shí)現厘米級的卓越定位精度。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定位器內部

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

圖13 核心硬件天線(xiàn)陣列

Unikie 的低功耗藍牙定位引擎專(zhuān)為實(shí)時(shí)跟蹤低功耗藍牙標簽而設計。生成的數據可以在邊緣服務(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)系統無(wú)縫集成，支持復雜的數據建模。這使得人們能夠更深入地了解物料流轉、利用率和行為模式，標志著(zhù)基于位置的服務(wù)和資產(chǎn)管理取得了顯著(zhù)進(jìn)展。

圖14 Unikie的定位應用軟件引擎

3   結束語(yǔ)

RSL15解決方案如何幫助解決行業(yè)挑戰？該解決方案有何不同？成功采用藍牙測向技術(shù)的關(guān)鍵先決條件仍然是標簽設備的使用壽命和成本。在安森美，我們將藍牙SoC 視為朝著(zhù)這一目標邁出的一大步，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)系統實(shí)施的知識，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)。

參考文獻：

[1] 藍牙核心規范5.1核心規范 | Bluetooth^?技術(shù)網(wǎng)站

[2] 藍牙低功耗到達角定位解決方案–標簽、接收器、天線(xiàn)、固件、應用軟件Bluetooth^?技術(shù)網(wǎng)站

[3] AND90234-開(kāi)發(fā)定位系統 (onsemi.cn)

[4] 基于BLE的實(shí)時(shí)定位解決方案-Unikie

[5] CHW1010-ANT1_Product_Brief_v1.5.pdf (corehw.com)

[6] 室內定位系統和室內跟蹤 | CoreHW

[ 7 ] 藍牙通道探測-邁向10厘米測距精度的安全訪(fǎng)問(wèn)、數字密鑰和鄰近藍牙服務(wù)|Bluetooth^?技術(shù)網(wǎng)站

[8] AoA和AoD如何改變藍牙定位服務(wù)的方向 |Bluetooth^?技術(shù)網(wǎng)站

[9] onsemi?！笆褂梦锫?lián)網(wǎng)資產(chǎn)跟蹤技術(shù)實(shí)現個(gè)人安全應用和社交距離”2021年8月-第1版

[10] 4 Martin Woolley，“藍牙測向，技術(shù)概述”，2021年2月22日

（本文來(lái)源于《EEPW》202410）