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作者：安森美現(xiàn)場應(yīng)用系統(tǒng)工程師，Denis Zebrowski
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，尤其是其測向功能。這一功能提高了定位服務(wù)的精度，對室內(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
藍(lán)牙測向是一項(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發(fā)，以生成與業(yè)務(wù)相關(guān)的KPI，例如服務(wù)時(shí)長、最常用的路線、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
< VIDEO: How RSL15 Enables Asset-Tracking with Low-Power Bluetooth 5.2 >
藍(lán)牙測向方法的多功能性，如無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，并有望在未來幾年在無線通信和定位服務(wù)領(lǐng)域開辟新的前景。
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測量的相同基本原理，但在信號處理和天線配置方法上有所不同。通過利用天線陣列，設(shè)備可以比以往更準(zhǔn)確地確定信號的方向（圖 3）。
圖3：測向系統(tǒng)概述（AoA結(jié)構(gòu)）
測向系統(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)采用的測向技術(shù)涉及發(fā)射器發(fā)送恒定音頻擴(kuò)展 (CTE) 信號。然后，配備多個(gè)天線的接收器使用該信號來確定源的方向（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)簽通過在主頻道上廣播擴(kuò)展來發(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(kuò)展廣播、與標(biāo)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)可以對標(biāo)簽的位置進(jìn)行三角測量，從而在無連接 AoA 模式下實(shí)現(xiàn)精確的位置跟蹤。
圖5：AoA測向系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流
當(dāng)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，因?yàn)榕c物體高度相對應(yīng)的第三個(gè)坐標(biāo)并不重要（圖 6）。
圖 6：到達(dá)角原理
通過測量兩個(gè)接收天線之間的相位差 (Ψ 2 - Ψ 1)，假設(shè)它們之間的距離 (d) 和信號波長 (λ) 已知，則可以使用基本三角學(xué)計(jì)算信號的角度。
I/Q 解調(diào)是現(xiàn)代無線電接收器中的關(guān)鍵步驟。它涉及從接收到的原始 CTE 信號中提取 I 和 Q 數(shù)據(jù)分量。也就是說，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4天線陣列測量的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）。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。
- 抽取：對濾波后的信號進(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)角度稱為方位角和仰角。
另一種方法不需要測量任何角度，稱為三邊測量法。它通常使用飛行時(shí)間 (ToF) 測量距離來實(shí)現(xiàn)，為此使用信道探測 (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 (CS)，在藍(lán)牙術(shù)語中也稱為高精度距離測量 (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(lán)牙的應(yīng)用程序，無需額外硬件成本即可獲得更高的精度。
表1：藍(lán)牙LE測距技術(shù)比較
安森美的RSL15 AoA解決方案
安森美開發(fā)的RSL15 5.2微控制器可以通過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)聽器和廣播器的無線核心是安森美的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)聽器項(xiàng)目負(fù)責(zé)接收廣播標(biāo)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(yùn)行的應(yīng)用程序，以計(jì)算監(jiān)聽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驗(yàn)證使用哪些通信參數(shù)和方案，并最大限度地延長電池壽命。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向指標(biāo)
CoreHW設(shè)計(jì)并提供多種尺寸的天線陣列板，可實(shí)現(xiàn)厘米級的卓越定位精度。這些可立即投入生產(chǎn)的天線板的頻率范圍為 2400-2483 MHz，最多有 16 個(gè)單端天線端口（圖 12）。
圖12: 安森美 RSL15 EVB 位于 coreHW 定位器內(nèi)部
天線包含用于天線選擇的CHW1010 SP16T藍(lán)牙AoA和AoD天線開關(guān)，以及用于射頻和數(shù)字控制信號的連接器，以便于連接BLE SoC控制板（圖13）。
圖13：核心硬件天線陣列
Unikie 的低功耗藍(lán)牙定位引擎專為實(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，我們始終專注于以合理的成本向市場提供一流的超低功耗無線技術(shù)。
我們共同致力于分享有關(guān)此類系統(tǒng)實(shí)施的知識，使我們的客戶更輕松地進(jìn)行開發(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)。
參考文獻(xiàn)
1) 藍(lán)牙核心規(guī)范 5.1 核心規(guī)范 | Bluetooth?技術(shù)網(wǎng)站
2) 藍(lán)牙低功耗到達(dá)角定位解決方案 – 標(biāo)簽、接收器、天線、固件、應(yīng)用軟件 Bluetooth?技術(shù)網(wǎng)站
3) AND90234 - 開發(fā)定位系統(tǒng) (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(nèi)定位系統(tǒng)和室內(nèi)跟蹤 | CoreHW
7) 藍(lán)牙通道探測 - 邁向10 厘米測距精度的安全訪問、數(shù)字密鑰和鄰近藍(lán)牙服務(wù)| Bluetooth?技術(shù)網(wǎng)站
8) AoA 和 AoD 如何改變藍(lán)牙定位服務(wù)的方向 | Bluetooth?技術(shù)網(wǎng)站
9) onsemi?！笆褂?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%89%A9%E8%81%94%E7%BD%91/">物聯(lián)網(wǎng)資產(chǎn)跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)人安全應(yīng)用和社交距離”2021 年 8 月 - 第 1 版
10) 4 Martin Woolley，“藍(lán)牙測向，技術(shù)概述”，2021 年 2 月 22 日
