蓝牙5.1要求改变RF软件协议（或“堆栈”），并且取决于芯片制造商，一些硬件（无线电）增强。首先，修订后的协议为用于测向的任何蓝牙数据包添加了连续音调扩展（CTE）。（数据包未经修改，因此可用于标准BLE通信。）
CTE是在蓝牙载波频率上发送的纯（即，未调制）音调加上250千赫兹（kHz）（当使用BLE的更高吞吐量模式时有时加500 kHz），持续16到160微秒（μs）。该音调包括一个“未白化”的'1'序列，其传输时间足够长，以便接收器能够提取IQ数据而不会产生调制的破坏性影响。由于最后传输CTE信号，因此数据包的循环冗余校验（CRC）不受影响。
规范的第二个重要补充使开发人员更容易配置协议以执行IQ采样。该配置包括设置采样定时和天线切换，这对于位置估计的精度是至关重要的。
虽然可以采用各种IQ采样定时配置，但是通常在每个天线的参考周期内每1或2μs记录一个IQ样本，并且结果记录在BLE SoC的随机存取存储器（RAM）中。接收信号的相位如何随着阵列中不同天线的采样而变化（图5）。[1]
图5：来自单个发射器的信号在到达距离源不同距离的天线时呈现不同的相位。（图片来源：Bluetooth SIG）
记录IQ样本只是构建位置服务应用程序的第一步。为了完成任务，开发人员必须为应用中使用的定位器和信标设计或选择最佳天线阵列，并掌握执行测向计算所需的复杂算法。
计算信号方向
用于测向的天线阵列通常分为三种阵列类型：均匀线性阵列（ULA），均匀矩形阵列（URA）和均匀圆形阵列（UCA）。顾名思义，线性阵列是一维的，而矩形和圆形阵列是二维的。ULA最容易设计和实施，但其缺点来自于只能通过假设被跟踪设备在同一平面内持续移动来计算方位角。如果不是这样，那么精度会受到影响。URA和UCA可以可靠地测量方位角和仰角（图6）。
图6：AoA和AoD测向技术需要天线阵列，其常见形式包括线性，矩形和圆形。虽然每种类型的阵列都可以获得有关高程和方位角的信息，但矩形和圆形类型可提供更可靠的方位角数据。（图片来源：Silicon]设计用于测向的天线阵列并非易事。例如，当天线放置在阵列中时，它们通过相互耦合破坏彼此的响应。为了解释这种影响，估计算法通常需要预定义的阵列响应。例如，一种流行的商业算法在数学上假设该阵列由两个相同的子阵列形成。幸运的是，对于缺乏天线专业知识的人来说，可以使用具有特定特性的商用天线阵列产品。
有效的天线阵列将确保收集准确的IQ样本。但原始数据不足以确定信号方向;]由于RF方向发现不是一门新兴学科，因此有几种已建立的数学技术可用于根据实际应用中获得的IQ样本估算到达角。问题定义 - 即，估计到达接收阵列的发射（窄带）信号的到达角（离开角的计算类似）是简单的; 解决它的数学要求不那么重要。
在基本术语中，给定阵列中每个天线的IQ样本的数据集，商业算法首先基于以下公式计算数据向量“x”（并假设信号是相移和缩放的正弦（窄带）信号）]
公式1 其中“a”是天线阵列的数学模型（“导向矢量”），
“s”是输入信号，“n”是噪声项。
然后使用X生成IQ样本协方差矩阵“R]
公式2 然后将该样本协方差矩阵用作主估计算法的输入。用于频率估计和无线电测向的最流行且经过验证的算法之一是多重信号分类（MUSIC）。在技术术语中，MUSIC使用协方差矩阵的特征向量分解和特征值来基于信号和噪声子空间的属性来估计AoA。
使用的公式是：
]其中“A”是包含特征值的对角矩阵，“V”是包含相应特征向量的矩阵。一旦V被隔离，它就可以用于生成伪谱的公式中，其中峰值出现在接收信号的到达角处（公式4）：
公式4并且得到的光谱采用所示的形式，峰值出现在发射信号到达的方向上（图7）。[2]
图7：MUSIC算法使用IQ样本生成功率伪谱，其中峰值标识发送设备的位置。该示例示出了2-D伪谱，其中发射装置位于50度方位角和45度仰角。（图片来源：Silicon Labs）
运行测向算法是计算密集型的，需要大量的RAM和闪存容量。
具有适当资源的商用蓝牙5.1产品已经上市。例如，Dialog Semiconductor为位置服务应用 提供DA14691蓝牙5 LE SoC。该芯片是由一个供电臂®皮质® -M33微处理器和包括512个字节的RAM。Silicon Labs为其EFR32BG13 BLE SoC 发布了蓝牙5.1堆栈; 该芯片采用Arm Cortex-M4微处理器，具有64 KB RAM和512 KB闪存。
Nordic]本文的第2部分介绍了如何使用基于这些SoC和堆栈的开发平台（以及包括天线阵列，配套微处理器和相关内存以及“位置引擎”固件在内的其他组件）来实现资产跟踪和实际位置服务应用。
蓝牙5.1要求改变RF软件协议（或“堆栈”），并且取决于芯片制造商，一些硬件（无线电）增强。首先，修订后的协议为用于测向的任何蓝牙数据包添加了连续音调扩展（CTE）。（数据包未经修改，因此可用于标准BLE通信。）
CTE是在蓝牙载波频率上发送的纯（即，未调制）音调加上250千赫兹（kHz）（当使用BLE的更高吞吐量模式时有时加500 kHz），持续16到160微秒（μs）。该音调包括一个“未白化”的'1'序列，其传输时间足够长，以便接收器能够提取IQ数据而不会产生调制的破坏性影响。由于最后传输CTE信号，因此数据包的循环冗余校验（CRC）不受影响。
规范的第二个重要补充使开发人员更容易配置协议以执行IQ采样。该配置包括设置采样定时和天线切换，这对于位置估计的精度是至关重要的。
虽然可以采用各种IQ采样定时配置，但是通常在每个天线的参考周期内每1或2μs记录一个IQ样本，并且结果记录在BLE SoC的随机存取存储器（RAM）中。接收信号的相位如何随着阵列中不同天线的采样而变化（图5）。[1]
图5：来自单个发射器的信号在到达距离源不同距离的天线时呈现不同的相位。（图片来源：Bluetooth SIG）
记录IQ样本只是构建位置服务应用程序的第一步。为了完成任务，开发人员必须为应用中使用的定位器和信标设计或选择最佳天线阵列，并掌握执行测向计算所需的复杂算法。
计算信号方向
用于测向的天线阵列通常分为三种阵列类型：均匀线性阵列（ULA），均匀矩形阵列（URA）和均匀圆形阵列（UCA）。顾名思义，线性阵列是一维的，而矩形和圆形阵列是二维的。ULA最容易设计和实施，但其缺点来自于只能通过假设被跟踪设备在同一平面内持续移动来计算方位角。如果不是这样，那么精度会受到影响。URA和UCA可以可靠地测量方位角和仰角（图6）。
图6：AoA和AoD测向技术需要天线阵列，其常见形式包括线性，矩形和圆形。虽然每种类型的阵列都可以获得有关高程和方位角的信息，但矩形和圆形类型可提供更可靠的方位角数据。（图片来源：Silicon]设计用于测向的天线阵列并非易事。例如，当天线放置在阵列中时，它们通过相互耦合破坏彼此的响应。为了解释这种影响，估计算法通常需要预定义的阵列响应。例如，一种流行的商业算法在数学上假设该阵列由两个相同的子阵列形成。幸运的是，对于缺乏天线专业知识的人来说，可以使用具有特定特性的商用天线阵列产品。
有效的天线阵列将确保收集准确的IQ样本。但原始数据不足以确定信号方向;]由于RF方向发现不是一门新兴学科，因此有几种已建立的数学技术可用于根据实际应用中获得的IQ样本估算到达角。问题定义 - 即，估计到达接收阵列的发射（窄带）信号的到达角（离开角的计算类似）是简单的; 解决它的数学要求不那么重要。
在基本术语中，给定阵列中每个天线的IQ样本的数据集，商业算法首先基于以下公式计算数据向量“x”（并假设信号是相移和缩放的正弦（窄带）信号）] 公式1 其中“a”是天线阵列的数学模型（“导向矢量”），
“s”是输入信号，“n”是噪声项。
然后使用X生成IQ样本协方差矩阵“R] 公式2 然后将该样本协方差矩阵用作主估计算法的输入。用于频率估计和无线电测向的最流行且经过验证的算法之一是多重信号分类（MUSIC）。在技术术语中，MUSIC使用协方差矩阵的特征向量分解和特征值来基于信号和噪声子空间的属性来估计AoA。
使用的公式是：
]其中“A”是包含特征值的对角矩阵，“V”是包含相应特征向量的矩阵。 一旦V被隔离，它就可以用于生成伪谱的公式中，其中峰值出现在接收信号的到达角处（公式4）：
公式4 并且得到的光谱采用所示的形式，峰值出现在发射信号到达的方向上（图7）。[2]
图7：MUSIC算法使用IQ样本生成功率伪谱，其中峰值标识发送设备的位置。该示例示出了2-D伪谱，其中发射装置位于50度方位角和45度仰角。（图片来源：Silicon Labs）
运行测向算法是计算密集型的，需要大量的RAM和闪存容量。
具有适当资源的商用蓝牙5.1产品已经上市。例如，Dialog Semiconductor为位置服务应用 提供DA14691蓝牙5 LE SoC。该芯片是由一个供电臂®皮质® -M33微处理器和包括512个字节的RAM。Silicon Labs为其EFR32BG13 BLE SoC 发布了蓝牙5.1堆栈; 该芯片采用Arm Cortex-M4微处理器，具有64 KB RAM和512 KB闪存。
Nordic]本文的第2部分介绍了如何使用基于这些SoC和堆栈的开发平台（以及包括天线阵列，配套微处理器和相关内存以及“位置引擎”固件在内的其他组件）来实现资产跟踪和实际位置服务应用。
举报
举报
