最新發布的藍牙5.1規范有效地創建了精確定位BLE發射器和接收器的方法。

作者：Dialog半導體公司Mark de Clercq

最新版本的藍牙通信標準于2019年1月份發布。藍牙5.1最值得注意的功能是辨別藍牙發射器和接收器方向的有效方法。該規范還介紹了旨在加速通信和提高能效的其他進展。

不少藍牙IC制造商已經發布了具有新5.0規范功能的硬件。以下我們大概介紹一下藍牙5.1帶來的變化，并例舉一家供應商如何已經開始采用該新規范。

已經有藍牙接收器用信號強度來估算到藍牙發射器的距離。5.1規范提供了兩種更加精確定位的方法，代價是使用多個發射/接收天線。要實現到達角度（AoA）方法，接收器必須至少有兩個天線（最小間距為6.2厘米），而發射器可以只有一個天線。通過AoA方法，接收器使用接收到的多個信號來計算出信號源的角度。類似地，離開角度（AoD）方法需要發射器具有至少兩個天線。接收器可以只有一個天線，接收多個信號并計算出信號源的角度。

在藍牙5.1中實現的到達角度（AoA）方法中，例如實時定位系統（RTLS）中的標簽之類的設備從單個天線發射信號。接收器包含多個天線，因為每個接收天線到發射天線的距離不同，從而接收器可以得出相位差。在離開角度（AoD）方法中，例如藍牙定位信標通過天線陣列發射信號，而像智能手機這樣的接收設備使用單個天線來接收信號，并將信號解碼以計算出相對信號方向。這種尋向方法目標用于室內定位系統，例如尋路系統。

需要注意的一點是：遵循5.1規范的設備范圍與早期版本的設備范圍相同。但是當障礙物在視線內時，使用信號強度定位藍牙源的準確性會嚴重下降。三角測量的能力將有可能實現實時定位系統和室內定位系統等功能。

該尋向功能使用同相和正交（IQ）采樣來測量天線接收的RF相位。在AoA方法中，采樣過程應用于陣列中的每個天線，一次一個，按照陣列設計設置好的順序。采樣數據通過主機控制器接口（HCI）傳遞到藍牙協議棧，然后用算法計算出一臺設備相對于另一臺設備的方向。

藍牙協議的某些部分已更改，以支持IQ采樣和在協議棧中的較高層使用IQ樣本。細節變得有點復雜。例如，在鏈路層，有一個稱為恒定頻率擴展信號（CTE）的新字段，它提供一個恒定的頻率和波長信號材料，可以對照其進行IQ采樣。

5.1規范還對GATT（通用屬性配置文件）進行了一些增強，GATT定義了兩個BLE設備使用稱為服務和特性的概念來回傳輸數據的方式。這些增強通常是為了提升能效，和實現藍牙設備之間更快的握手。但其中有些是為未來要發布的規范版本的增強功能做準備。

從根本上說，5.1規范定義了BLE客戶端如何可以在曾經通信過且未發生變化的兩個設備之間跳過服務查找的步驟。客戶端現在可以推斷出它所連接的設備與先前連接的類型相同，并且客戶端已經緩存了屬性表。如果某些細節相同，則客戶端可以決定跳過部分連接協議，因為它已經擁有了所需的數據。

這可能派上用場的典型應用是藍牙智能門鎖，智能手機可以在主人接近時打開門。服務查找只需在用戶第一次打開智能鎖時進行一次。用戶在第一次打開門鎖時可能會有延遲，但從那之后，門鎖的響應幾乎是瞬間的。

藍牙5.1中的AoA和AoD功能旨在為實時定位系統（RTLS）和室內定位系統（IPS）帶來更高的精度。用于物品跟蹤的藍牙實時定位系統設置調用安裝在整個場地中多個固定位置的藍牙接收器，通常稱為定位器。定位器連接到俗稱為定位引擎的集中式服務器。將俗稱為標簽的藍牙發射器放置到系統要跟蹤的物品上。標簽周期性地向定位引擎發送信號，定位引擎估算每個定位器的位置。在室內定位系統中，俗稱為定位信標的藍牙發射器放置于固定位置。訪客一般可以使用智能手機上的應用程序來收聽定位信標。應用程序使用接收到的信號強度來計算其實時位置。

先進的架構

藍牙5.1包含的新功能為藍牙控制器帶來了額外的計算負擔。某些架構功能可以對額外處理工作帶來幫助。例如，三角測量處理可以采用復雜的算法。因此，包含數字信號處理和大容量內存的架構非常有用。

另外，由于三角測量涉及來自多個天線的信號，因此藍牙控制器必須包含處理所涉及的多個RF信號的功能。由于單天線藍牙的市場仍然很大，采用5.1標準的控制器可以通過結合用于快速操控外部RF開關的架構特性，來處理對多個RF路徑的需求，而不是將開關包含在藍牙控制器IC本身上。

這種藍牙5.1控制器芯片的一個例子就是Dialog SmartBond DA1469x系列。它是第一個基于ARM Cortex M33處理器的無線多核MCU系列。該處理器具有數字信號處理和浮點功能，有助于進行三角測量計算。此外，這些處理器具有I/O，有助于以高精度控制外部RF開關，以實現AoA和AoD定位。使用外部RF開關處理AoA和AoD，而不是集成在藍牙芯片中的開關，可以降低單天線藍牙應用的成本。

此外，DA1469x器件上的內存是可擴展的，對處理復雜應用很有用，同時可以確保基本應用的成本足夠低。

降低藍牙應用中的功耗通常是有利的，所以DA1469x芯片中包含了電源管理功能，芯片中的部分功能只在需要時才開啟。例如，當應用不啟用尋向定位時，芯片將僅為處理無線電和簡單藍牙功能的電路供電。當要求執行AoA或AoD任務時，整個Cortex M33處理器則會啟用。

Dialog半導體公司的SmartBond DA1469x系列藍牙控制器結合了藍牙5.1標準的AoA和AoD尋向定位特性。該器件系列還包含一個傳感器節點控制器（SNC），可自主運行并獨立處理來自與其接口相連的傳感器的數據。此外，DA1469x系列還具有內置電源管理單元，僅在需要時啟動芯片上的處理內核，同時取消了對獨立PMIC的需求。

關于DA1469x芯片的另一點值得注意的是，設計人員可以通過應用程序編程接口（API）獲得AoA和AoD功能。這有助于設計人員無需掌握如何處理原始AoA / AoD數據的具體知識。

DA1469x IC還有一些其他功能，它們與AoA / AoD功能相關不大，但對現代物聯網需求非常有用。這些功能包括觸覺反饋驅動器、步進電機驅動器（用于驅動混合模擬/數字鐘表中的模擬鐘表機芯）、LCD驅動器、用于讀取傳感器的高精度ADC、以及其他專用模擬模塊。 最后，該IC系列的一些版本包含內置充電功能，用于鋰離子和鋰聚合物電池充電。

上圖是來自Dialog半導體公司的配置為藍牙接收器的開發板，可檢測藍牙發射器的到達角度（AoA）。該特定設備設置為十次/秒進行與發射器角度的測量，并在LCD上顯示測量到的角度。

總而言之，藍牙5.1引入了許多功能，可以幫助設備更好地跟蹤人和物品，同時增強用戶體驗。