1介绍
由于蓝牙（BT）技术，不同电子设备（如手机、计算机）之间的无线连接变得越来越容易。通过采用BT技术，媒体内容、文件等可以在所谓的个人局域网（PAN）中的支持BT的设备之间交换，无线音频流是利用BT技术的最流行的应用之一。
蓝牙技术始于1998年，由5家公司（爱立信、IBM、英特尔、诺基亚和东芝）技术合作，他们最初成立了蓝牙特殊利益集团Bluetooth SIG。随着1999年第一次正式推出BT 1.0规范，BT技术在过去二十年中不断发展，并将继续发展。R&S?自1999年以来一直是蓝牙SIG的活跃成员。
蓝牙SIG定义了两种BT技术，即BT经典（基本速率（BR）/增强数据速率（EDR））和BLE（蓝牙低能量）。两种BT口味不兼容。有关BT Classic和BLE技术的比较，请参阅[3]。
BLE产品自2010年首次推出以来，市场势头越来越强劲。它首先被指定为BT4.0，旨在实现低功耗和低成本的设备，特别适合物联网（IoT）应用。与BT4.0相比，2016年发布的BT5.0是功能丰富的又一里程碑，包括四倍的射程、两倍的速度和八倍的数据广播能力。2019年1月，BT SIG发布了BT5.1或BLE 5.1标准，对BLE进行了更多改进，如：
? 测向（DF）-到达角（AoA）/离去角（AoD）
? 通用属性配置文件（GATT）缓存
? 周期性广告同步传输
? 控制长度扩展
? 广告频道指数变化
? 小功能增强第1批
使用BT技术的定位服务实际上并不是一个新术语。但实际应用的方法有所改变。传统的BT接近解决方案基于距离估计，使用RSSI测量和三边测量来确定设备的位置。然而，这种定位方法只能满足米级精度，不能满足某些应用的要求。即使是高性能定位服务的市场需求也促使BLE5.1发布了新的定位方法，即所谓的利用到达角（AoA）/离开角（AoD）技术的测向（DF），该技术可将室内定位精度大幅提高至厘米级。
在本应用说明中，我们将重点关注如何根据日期为2020年1月7日的BT 5.1 RF测试规范RF-PHY.TS.p15[1]验证BLE 5.1 DF的物理层，包括AoA/AoD，其结构如下第2章概述了AoA和AoD原理及其使用案例，以及一些基本术语，第3章展示了AoA和AoD物理层验证的R&S测试解决方案以及相关的系统需求
第4章详细描述了根据BT 5.1射频测试规范[1]，通过使用R&S?CMWrun测试自动化工具在手动模式和自动模式下进行的BLE 5.1 DF射频测试。
本Rohde&Schwarz测试设备应用说明中使用了以下缩写：
R&S?CMW500/R&S?CMW290/R&S?CMW270宽带无线电通信测试仪称为CMW
?R&S?CMW100宽带无线电通信测试仪称为CMW100?R&S?CMWrun定序器软件工具称为CMWrun
?R&S?OSP开放式交换机和控制平台称为OSP
2技术背景
2.1测向
2.1.1到达角（AoA）
到达角（AoA）是一种基于天线阵列技术的定位方法。
如图2-1所示，发射机、被跟踪设备或移动物体使用单个天线发送信标信号。发射的平面波信号在接收器（固定位置的静止物体）上传播，接收器配备有多个天线，这些天线排列在一个天线阵列中（至少两个天线单元）。在接收器侧，它通过从接收到的射频信号计算IQ样本来观察接收到的信号相位差，同时通过射频开关顺序切换当前有源天线。有关天线切换的详细信息，请参见第2.2章。不同天线单元处的相位差仅仅是由于阵列中的每个天线单元与发射机之间的距离不同。AoA使用入射到接收器天线阵列上的相位差来计算发射信号的AoA。
图2-2说明了AoAθ的计算。通过了解有源天线和参考天线之间的相位差φ（根据RF信号上捕获的IQ样本对计算），以及两个天线元件d的距离，以及载波频率λ的波长，确定AoA角度θ=Arcin（λφ）为2πd。
两个相邻天线元件之间的最大距离d应为λ/2，其中λ为载波频率的波长。通过应用公式λ=c/f，其中c是光速3x108 m/s，f是载波频率，在2.4 GHz频率范围内工作的BLE的波长λ=12.5 cm。因此，BLE设备相邻天线之间的距离最大应为6.25 cm。
资产跟踪、兴趣点（PoI）是AoA的典型应用。
偏离角（AoD）
偏离角（AoD）使用与AoA类似的技术来确定位置，但是，设备角色现在在AoD场景中被交换。图2-3描述了AoD的原理。发射机（固定位置的静止物体）现在使用阵列中的多个天线发射信标。根据预定义的天线切换模式切换天线阵列的有源天线。接收器是一种可移动设备，使用单个天线捕获射频数据包，并在接收到信标后将其计算为IQ样本。基于IQ样本，可以计算来自不同天线单元的入射信标的相位差，从而依次确定AoD。预计定位精度约为50厘米。
例如，AoD的典型用例是寻路等。
2.2 一些基本的蓝牙低能量术语
2.2.1无线接入方案
BLE规范采用时分双工（TDD）方案作为无线接入。
2.2.2蓝牙LE物理层
在BLE中，指定了三个物理层，简称LE1M、LE2M和LE编码。
早在BT4中就引入了LE1M，符号速率为1mSYMBOLS/s，是BLE的强制物理层。在BLE5.0中，添加了两个新的可选物理层，即LE 2M和LE coded。表2-1总结了所有BT SIG规定的BLE PHY层。
LE 2M允许PHY以2 Mbit/s的速度运行，与LE 1M相比，数据速率翻了一番。le1m和le2m都属于所谓的le uncoded phy，其中不应用前向纠错（FEC）编码。而LE编码的PHY分别通过FEC S=2和S=8编码方案将范围扩展到因子2和4，其中S表示每比特的符号数。
测向（DF）仅采用LE1M和LE2M，即未编码物理。因此，编码PHY不在本应用说明的范围内。
与传统的BT技术一样，BLE也在2.4 GHz ISM频段（2400 MHz-2483.5 MHz）运行。它的频率范围从2400兆赫到2480兆赫，并划分整个频率频带分为40个通道（通道0-39），每个通道带宽为2 MHz。测向的大多数射频测试要求在最低、中等和最高频率下进行，即分别在信道0（2402 MHz）、19（2440 MHz）和39（2480 MHz）下进行。
2.2.3调制
BLE采用标准调制指数为0.5的高斯频移键控（GFSK）调制方案，以最小化收发机复杂度。
LE 1M和LE编码的频率偏差为±250 kHz，而LE 2M的频率偏差为±500 kHz。
对于第2.2.2章中描述的所有三个BLE PHY层，可选的稳定调制指数（SMI）介于0.495和0.505之间，这将使链路预算增加约3 dB。
2.2.4直接测试模式
BT SIG规定了使用所谓的直接测试模式（DTM）进行发射机和接收机符合性测试的强制性测试方法。此方法适用于传统BLE和BLE 5.1
DTM用于控制DUT并向测试仪提供测试报告，例如CMW。通过主机控制接口（HCI）或2线UART接口直接与设备物理层通信，例如设置测试频率、数据包长度和数据模式，而无需通过整个协议栈命令这些设置，从而将测试时间降至最低。
图2-4表示可用于DUT物理层验证的DTM类型。根据BLE核心规范[2]，定义了两种通信方式：
带可访问HCI接口的DUT的
?具有可访问HCI接口的DUT的HCI（主机控制接口）
?带不可访问HCI接口的DUT的2线UART接口
对于具有可访问HCI接口的DUT，有两种可能的硬件接口允许HCI通信，即USB连接或通过USB-RS232适配器的RS232连接。
表2-2显示了CMW上的DTM支持。根据DUT的不同，USB直接或通过USB-RS232的RS232硬件接口可用于BLE DF DUT的发射机和接收机验证。
有关DTM的详细信息，请参阅[5]中的[2]，更详细地描述了DUT和CMW之间的DTM连接是如何建立的。它包括安装和处理启用DTM的必要驱动程序的指南。这是BLE射频测量的先决条件。
2.2.5 BLE 5.1 DF Test Packet
本章内容丰富，有助于理解BLE 5.1 DF测试数据包。
表5.1图2-5所示的LE未编码PHY的DF测试包格式用于DTM下的物理层一致性测试。需要注意的是，真正的BLE数据包与测试数据包略有不同。对于本应用说明，我们只关注LE未编码PHY测试数据包。
表5.1 LE未编码PHY的DF测试数据包格式（来源：BT5.1核心规范[2]），虚线部分为数据包的可选部分）
前导码（8或16位）
为接收机执行频率同步、符号时间估计和自动增益控制（AGC）训练而发送的固定比特序列。根据BLE 5.1 DF物理层，定义了2个不同的前导序列：
8位用于传输顺序中的“10101010”
16位用于传输顺序中的“1010101010101010”
同步字（32位）
具有良好自相关特性的序列允许数据包同步10010100100001001110111010001110’处于传输顺序
有效负载类型（4位）
此字段定义数据包PDU有效负载部分中的有效负载位序列。下表中仅列出了与BLE兼容测试相关的有效负载类型。
0000
PRBS9序列‘11111111100000111101…’ (in transmission order)
用于每次传输的所需信号有效负载内容，例如。发射机功率和ACP测量以及接收机测试
0001
重复的“11110000”（按传输顺序）序列
用于验证发射机调制器的频率偏差和高斯滤波器特性
0010
重复的“10101010”（按传输顺序）序列
用于验证发射机调制器的频率偏差和高斯滤波器特性
PDU长度（8位）
以字节为单位指定PDU有效负载长度。
PDU有效负载（296-2048位）
PDU有效负载由有效负载类型定义的位序列填充，长度由PDU长度给定
CRC（24位）
通过PDU计算24位CRC。CRC计算中不包括恒定音调扩展（CTE）部分。
第2.2.6章解释了所有CTE相关字段。
2.2.6 BLE 5.1 DF的恒定音调扩展
BLE 5.1引入了恒定音调扩展（CTE），作为包含在BLE数据包中的可选位序列。CTE可用于确定接收无线电信号的相对方向，即测向目的。
CTE应仅显示在LE未编码PHY上，即LE 1M和LE 2M，不包括在CRC或MIC计算中。
数据包中可选CTE部分的存在由CTEInfo Present（CP）标志指示。只要呈现CTE，测试包中就需要包含CTETime、CTEType和CTE字段。
下文描述了图2-5所示的BLE 5.1测试包中CTE相关字段的列表及其配置。
CTEInfo Present（CP）（1位）
指示测试数据包中存在CTE的重要标志
CTEInfo（可选）（8位）
8位CTEInfo由CTETime（5位）、RFU（1位）和CTEType（2位）组成
CTETime（可选）（5位）
CTETime字段以8μs为单位定义CTE的长度。
根据表5.1规范，整个CTE部件的持续时间介于16μs和160μs之间。因此，此处的CTETime字段值应取2到20个单位，分别反映16μs和160μs的CTE持续时间。所有其他值保留供将来使用。
CTEType (optional) (2 bits)
CTEType字段定义CTE的类型和切换插槽的持续时间。
定音扩展（CTE）（可选）（16-320位）
CTE内容物是一个不断调整的“1”系列，不使用增白剂。当以1msym/s调制运行时，它有16-160位；当以2msym/s调制运行时，它有32-320位。
CTE有两种类型，即AoA和AoD CTE，其结构分别如图2-6和图2-7所示。除AoA传输CTE外，其他CTE遵循相同的结构。它从第一个4μs保护周期开始，然后是8μs参考周期，然后由主机配置一系列交替开关插槽和样本插槽，每个插槽的长度为1μs或2μs。根据表5.1规范，2μs长的开关和采样周期是强制性的。
图2-6显示了AoA CTE结构。当发送AoA CTE时，以连续方式发送，而无需切换天线。接收到AoA CTE后，接收器应以主机定义的速率和方向图进行天线切换，切换时间为1μs或2μs，采样时隙持续时间为。
CTE结构中的开关槽定义了天线阵列元件切换的时间段。其持续时间可在1μs和2μs之间配置，因此IQ采样时隙持续时间也是如此。第2.2.7节解释了天线开关模式。射频数据包在采样时隙和参考周期内被捕获，详情见第2.2.8节。
由于配置的插槽持续时间不同，可用交换机和采样插槽的最大数量也不同。回想一下，整个最大CTE时间长度为160μs，在扣除前12μs（4μs保护期+8μs参考期）后，允许切换和采样的CTE时间长度仍为148μs。因此，在配置1μs开关和采样槽的情况下，可以使用74个开关和采样槽对。相应地，在2μs配置的情况下，37个开关和采样槽对。
图2-7说明了AoD CTE结构。如果发送AoD CTE，则发射机应执行与AoA情况相反的天线切换，然后在TX插槽中发送AoD信标。在接收AoD CTE时，接收机不需要切换天线，只需要进行射频采样。开关和采样插槽的最大数量与AoA的定义相同。
2.2.7 Antenna Switching
支持天线阵列接收CTE数据包（AoA方法）或发送CTE数据包（AoD方法）的BLE 5.1测向设备需要在两个或多个天线之间切换。天线切换模式应由其主机配置。
在表2-3中，表5.1[2]规定了与天线数量相关的参考天线和非参考天线之间的强制天线切换模式。切换模式中的第一个天线A0应在CTE的参考周期内使用。天线切换模式循环，直到CTE部分结束。
表2-3：天线测试切换模式（A0=参考天线，A1…3=非参考天线）
下表2-4和表2-5显示了实际用例中天线切换模式的两个示例。
表2-4：具有1μs切换时隙持续时间和20单位CTE长度的天线切换方向图示例（总共74个示例时隙）
2.2.8表2-5：具有2μs切换时隙持续时间和20单位CTE长度的天线切换方向图示例（总共37个样本时隙）
不允许在CMW上更改测试切换模式。
2.2.8射频取样
AoA或AoD接收器应在接收到包含CTE的数据包时进行射频采样。然后计算DF的射频采样信号接收时的IQ在数据包的CTE部分执行，但在程序期间，CTE开始时的4μs保护期部分被排除。
在AoA和AoD两种情况下，接收器应在8μs参考周期内每微秒采集一个射频样本，并从每个样本槽采集一对样本。图2-8显示了在AoA接收器外壳中捕获的样本量。这将在1μs插槽结构中生成10到82个样本，在2μs插槽结构中生成9到45个样本。同样的采样概念也适用于AoD接收机。