淺談藍牙技術的演進

藍牙技術是被廣泛應用的短距無線連接技術，根據藍牙特別興趣小組的估計，到2024年，每年的藍牙連接數量在50億以上，并且將以9%的年復合增長率持續增加。藍牙設備類型包括只支持經典藍牙的設備、只支持低功耗藍牙的設備以及雙模設備。其中最主要的增長來自于低功耗設備的增長。

經典藍牙指的是藍牙4.0之前的藍牙版本，典型應用是傳統的藍牙耳機設備。低功耗藍牙指的是藍牙4.0及之后的藍牙版本，典型應用是低功耗的物聯網設備，如藍牙標簽等，其中藍牙5. 2引入了藍牙音頻功能。當前藍牙特別興趣小組的最新版本是藍牙5.4版本。下一代最新藍牙技術的版本和特性集合在剛剛過去的藍牙特別興趣小組在倫敦的會議中完成了定義，下一代藍牙規范的版本是藍牙6.0，不是我們之前想的藍牙5.5，預計發布時間是2024年9月份。

藍牙的應用并不是基于我們比較熟悉的IP架構，而是基于Profile的應用架構。在低功耗藍牙中除了藍牙音頻這個比較大的功能之外，基于藍牙的短距定位功能逐漸的引起了人們的注意。事實上，定位功能一直是人們的剛需，例如利用衛星提供的定位功能已經深入了人們的日常生活，基于宏基站的LBS技術也被很多國家定義為法規必選技術，例如E911的功能。而短距定位也有著廣泛的應用場景。例如智能家居，倉儲物流以及車載設備等，近期UWB技術也主打短距高精度定位的應用。

這里我們把藍牙幾個主要版本的定位方式和性能簡單列了一下。

其中LE 4.0版本主要采用最基礎的利用信號強弱的方式進行定位，勝在成本低廉，實現簡單，但是定位精度不高。

而藍牙5.1引入了AoA和AoD技術進行測向。其中AoA技術跟UWB技術的AoA的技術原理一致，只不過信號體制不同而已。技術上都是假設一個終端設備（固定或移動）基于遠場條件發射平面波信號，被多天線設備（固定）接收，根據多天線設備的天線距離和不同天線接收信號的相位差，可以計算出終端設備相對于多天線設備的方向，典型的應用包括資產標簽，物流跟蹤。AoD技術原理跟AoA類似，只是場景不同，這里不再贅述。

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細心的小伙伴可能已經發現了，藍牙5.1無論使用哪種方法，在物理層只能測量得到角度信息，那么距離信息是如何實現的呢？這里通常通過陣列天線技術實現多個角度的測量，例如圓陣列、面陣列在算法層面實現距離測量。最終實現米級定位精度。

下一代的藍牙版本主要提供了兩個大的功能，一個被我們稱為UTP的功能，這個功能主要是解決了低功耗藍牙測試過程中傳統DTM模式接線復雜的問題，相當于給研發和測試人員提供的一項福利。不過最新的會議結果是這項技術將會作為藍牙6.1版本的主要增強特性，預計時間是2025年。作為測試工程師的我，對這個功能也是期待已久了。感興趣的小伙伴可以去找找作者寫的另外一篇文章。

敏感的小伙伴可能已經發現了，在藍牙5.1的定位方案中，我們是需要利用天線陣列來進行測向定位的，多天線意味著空間增加，并且成本提高，因此藍牙技術也在考慮使用更簡單的方案進行定位。因此藍牙6.0從功能上最重要的技術演進就是提供了Channel Sounding的功能，如果是對通信原理比較熟悉的小伙伴可能對Channel Sounding比較熟悉，一般我們是認為該技術主要通過測量信道沖擊響應，來獲取無線信道在特定頻率和帶寬的信道特性，從而改善信號傳輸，獲得更好的性能。例如LTE和5G在上行都會有Sounding 參考信號發射。而在這里藍牙利用Channel Sounding進行精準定位。該應用的典型應用包括無鑰匙進入，和室內定位。

藍牙6.0的Channel Sounding有兩種不同的方法，一種是跟UWB非常類似的基于ToF的測量方法，在藍牙系統中我們稱之為RTT方法，另外一種方法是基于相位測距(PBR)的方式實現高精度定位(HADM)，在實際場景中，一般也是多種方法結合進行定位。這里我們主要介紹基于PBR方法的原理和測試，如下：

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在發射端(Initiator)使用兩種不同頻率的信號和進行信號發射，這里不同的藍牙信道，Channel Sounding使用了新的channel map，信道間隔為1MHz。接收端（reflector）接收到頻率為的信號之后，回應該信號并且返回到Initiator側得到相位，同理在第二次發射中我們利用頻率為的信號得到了第二個相位測量值。通過簡單的數學計算我們可以得到如下公式：

上述方法就是一個基本的PBR的基本原理，通過多頻信號的相位測量得到測距結果。在實際系統實現的時候，會通過進一步的方法去改善測距精度以及提高抗干擾能力，例如構建Quick Tone Exchange（QTE）來進行頻率補償等方法，并且利用多次采樣的方法提高測距精度。

最后打一個小廣告，我們可以看到，藍牙測距的精度跟射頻的質量，頻率穩定度，天線切換性能等算法高度相關，因此一個強大的測試方案是保證藍牙定位性能的重要手段，R&S提供從經典藍牙到最新版本的低功耗藍牙的完備的測試方案，測試方案覆蓋產線，研發，認證。其中R&S緊跟藍牙最新標準，近期會基于CMW500/CMW270推出藍牙6.0的測試選件，CMW-KS725和CMW-KM725，測試項目包括如下發射接收指標測試。

Transmitter testing

·Stable phase test

·Companion signal verification

·Step mode frequency verification

·Antenna switching integrity (ASI)

·Power ramp profile, ramp down

Receiver testing

·Phase measurement accuracy

·RX antenna switching integrity (ASI)

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