监测检测
文丨国家无线电监测中心检测中心王文俭任馨宇
0引言
近年来，定位服务的相关技术和产业蓬勃发展。无论 在室内还是室外环境下，快速准确地获得移动终端的位置 信息和提供位置服务的需求变得日益迫切。传统蓝牙定位 技术通过蓝牙信标实现定位服务，将信标功率数据与实际 接收信号强度指示进行比较，通过差值评估位置，这种方 案只能估算物体近似距离且精度相对较低。2019年1月， B l u e t o o t h S I G在其发布的蓝牙核心规范5.1版本中添加 了高精度定位寻址功能，通过两个固定设备和目标设备之 间的角度或方向精确定位目标设备，为亚米级室内实时定 位应用提供了技术解决方案。 1蓝牙A o A/A o D室内定位技术
蓝牙到达角度A o A(A n g l e o f A r r i v a l)和出发角 度A o D (A n g l e o f D e p a r t u r e)是为实现室内实时定位 功能而建立标准化框架的新技术。这项技术将传统的定位 测距需求通过蓝牙射频信号的到达和离开角度得以满足。
Bfuetooth direction finding using angle o f arrh/al (AoA)
图1蓝牙到达角度（AoA )技术原理图
螺旋桨设计
A o A技术由发射端和接收端共同实现。发射端通过 单天线设备发送具有测向功能的数据包，接收端匹配具有 多天线阵列和射频幵关的设备进行数据接收。其中射频幵关的作用是切换不同的天线以获取J/Q采样数据。这些 采样信号J/Q值可用来计算不同天线阵元之间所接收信 号的相位差，利用相位差信息估算到达角度，从而实现定 位功能（见图1 )。
接收端两个天线阵元之间的距离为d，沿着信号入射 方向的法线方向画线，线的一端为入射信号最先到达的天 线阵元，另一端为到达另一个天线阵元的信号与经过第一 个天线阵元的法线的交点。0为到达角，0的另一条邻 边为两个天线阵元所接收的同一信号所经路径的距离差，与它们所接收的信号之间的相位差0有关（见图2)。
A y
A n t e n n a2
<-----
F ig u re 11a - U sing p h a s e d iffe r e n c e to d e r iv e a n g le o f a rrival
图2 A o A接收端两天线阵列相位差
i/z = [271c o s(0)]/A(1 )
A为信号波长，则到达角0表示为：
0 = a r c c o s[(^ A)/(2i:d )](2)
d为发射端设备两个天线之间的距离。
在上述天线阵列相位差计算过程中，需注意发送端发 送的数据包要通过两个设备进行接收才能实现A o A定位 功能。由于无线电波以光速传播，相邻天线之间的最大距 离应为半波长，避免距离过大而引起信号失真。
对于A o D技术而言，其原理与A o A基本相似，发 射端和接收端的角进行相应互换。接收端是单天线设备，而发送端设备具有多天线阵列和射频幵关。当接收端设备 收到来自天线阵列的多个信号时，设备根据多路信号获得 的角度和位置来计算物体在室内的位置（见图3 )。
与A o A相似，A o D模式的接收端也采用同样的方式计算离幵角。A〇D模式是在接收端进行角度计算，如
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D IO
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监测检测
图3蓝牙出发角度（A o D )技术原理示意图
果接收端设备能同时计算三个及以上发送端的离开角，就 可以推算出当前位置，但此时接收端的功耗较高，需要较 高的计算能力。采用A
o
D
模式时，发射端和接收端设备
需要采用统一标准进行天线安装设计，否则接收端设备需 要获悉发射端的天线分布情况才能确定某一天线或某一坐 标系的相对角度（见图4)。
亮晶晶眼贴^d ->
Antenna 2
Antenna 1
e
Transmitter
运钞箱Receiver
M o 〇w t 〇n «p p
u
a
> »« »礞h t C s m i M
m
a i 9 a a
图5 AoA 和
A oD 对应的C T E 数据结构
在切换时隙和采样时隙里，每l i J L S
捕获一次I /〇
(I n -P h a s e Q u a d r a t e )数据。为了获得高质量的角度估
计数据，会在每个I /O 采样窗口内的同一点进行I /Q 采样。 采样应该在每个时隙幵始后0.125 fx s 与结束前0.125 p s
之间进行。如果采样时隙配置为2 J J L S ，那么采样应在后 一个1 h s 内进行。两种情况分别如图6和图7所示。
V
F igure lib - U sing p h a s e d iffere n ce to d e rive a n g le o f d e p a rtu re
塑料口罩图4 A o D 发射端两天线阵列相位差
在
A o A
和
A o D
技术中，发射端和接收端之间会发 送可变长度字段 C
T E
(C o n s t a n t T o n e E x t e n s i o n )数
据以实现天线切换功能。C T
E
数据是附加在正常包后面
的包含一系列切换时隙和采样时隙的数据串，可以定义为
1 p
s
或
2
|x
s
，同时定义从至少16|x s 到最多160jx s ,
在参考周期后面，C T
E
包含了一系列交叉的切换时隙和 采样时隙，其长度由H
o s t
定义，为
I 或
2
|x
s
，其中
2|x s
为必选项，l j x s 为可选项。对于A
o
A
技术而言，
发射端设备会发送固定频率扩展信号C
T
E
，接收端接收
C
T
E
时按照一定的顺序切换接收天线。反之，对于A 〇
D
技术而言，发射端设备发送C
T
E
时按照一定的顺序切换
不同的发送天线，而接收端通过单天线进行接收。图5是
A
o
A
和
A
o
D
所对应的C
T
E
数据结构。
1 ms slo t
0.125 m s
i ---
0.75 ns (IQ Sampling Window) 0.125 ps ------------------------------------------X --->
图6采样时隙为丨时采样过程
80
C H IN A R A
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监测检测
3结束语
在同频信号分离算法中，改进后的E F I C A算法在一 定程度上提高了同频信号分离的精确度，并且平均相关系 数和串扰误差更稳定，对相同频率的混合信号分离效果更 好。为进一步做好无线电工作，不断提高无线电干扰查 水平，提升无线电监测能力，需要不断探索改进同频信号 分离方法并应用于实践。K9
参考义献：
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展频原理
2016
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(上接80页）
2蓝牙A o A/A o D定位功能的设计实现
蓝牙到达角度（A o A)可以衡量低功耗蓝牙传输信 号接近蓝牙接收器的角度或方向。要计算到达角度，需要 两个或多个天线来测量输入信号的相位。来自每个天线的 相位测量值用于计算A o A并确定发射信号的方向。载波 本身的相位需要使用两个或多个位于同一位置的天线来确 定。因此，在设计低功耗蓝牙天线阵列时需要综合考虑其 设计原理和实际场景。
首先，需要考虑信号反射干扰。在理想状态下，发射端 和接收端设备处于空旷位置，周围无其他信号反射干扰。而 实际使用场景中接收端设备会接收到其本身或者其他A o A 设备信号所发出的反射信号，这种反射信号同样携带C T E 扩展数据包，但是属于噪声信号。由此会造成信号波形畸变 或产生脉冲信号，甚至可能造成电路误动作，因此在硬件设 计过程中需要进行阻抗匹配来抑制甚至消除噪声信号。
其次，需要考虑射频幵关的特性参数。在发射端和接 收端设备中，一个射频幵关往往控制多路射频天线，设计 合理的幵关拓扑结构能够有效保证信号的完整性，避免相 位延迟，获得低成本且灵活高效的解决方案。与此同时，适当的阻抗匹配可以优化信号传输效果•，尽可能保障多路 信号路径长度相同可以减少相位失真；适当加入滤波器可 以有效滤除不需要的信号频率；射频幵关的切换时间也需 要综合考虑加以补偿。
最后，需要考虑发射端和接收端的角度值误差。硬件测量过程一定存在误差，该误差范围通常为3%-5%，可 以通过卡尔曼滤波等算法來降低误差。
3蓝牙A o A/A o D定位的测量方式
A〇A接收项测试旨在验证被测设备可以携带C T E数 据包信息进行连续传输，而不进行数据交换和采样。测试 端作为单天线接收端进行数据接收。测试验证被测设备在 传输携带C T E数据包信息时的输出功率以及载波频率的 偏移和漂移情况。
A o D发射项测试旨在验证被测设备进行多天线传输 时能够正确切换天线。测试端可以通过检查天线阵列的配 置以及切换模式进行验证。对于多天线设备而言，天线的 切换模式应由其主机配置，在蓝牙核心规范5.1版本中依 据天线数量的不同规定了参考天线和非参考天线之间的切 换模式，被测设备应当依据规范中的切换模式执行相应测 试。测试验证发射功率稳定性以及天线切换完整性。
预应力混凝土管桩
4总结
随着室内定位技术的不断发展，低成本、低功耗、精 准高效的室内定位技术将成为未来的方向。与传统R S S I 定位相比，A o A/A o D技术可以达到约30c m的精度，为 室内精准定位带来了更多的解决方案。未来，随着相应射 频技术和上层算法的补充和优化，蓝牙A o A/A o D定位 功能必将得到广泛应用。K9
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