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一文看懂Bluetooth 5.1 AoA到达角度位置服务实现原理

2019-09-12 10:19 次阅读

这是第三篇文章写关于Bluetooth AoA(到达角度)位置服务算法的原理及其应用,经过半年的市场观察,目前Bluetooth AoA可以有两种不同的应用场景,第一,室内位置定位;第二,无钥匙进入,我们一一叙述,今天只讲第一种。

1. 室内定位技术梳理

目前室内定位有采用UWB,Wifi,BLE信标和BLE AoA三种实现方式,UWB精度在0.1-1米范围,Wifi,BLE信标误差范围较大在5-20m范围,Quuppa作为第一家商用BLE AoA定位服务公司,可以精度范围在0.1-1m范围。(采用TI CC254x,Nordic5281x芯片)。

Quuppa数据

2. 室内定位原理分析

无论采用何种定位方式,室内定位系统需要建模实际场景,在室内区域部署接收机路由器,并在建模地图中相应位置;手机或是信标模块,作为beacon发射机,发送无线信号,部署在固定位置的接收机在接收到无线信号后即可判定该信标进入该区域范围。

在确定区域范围之后,可以通过多天线测量beacon信号到达角度,以及三角形定位法,即可计算出beacon设备精确位置。

三角定位三角定位法顾名思义即通过两组到达角度,确定beacon设备位置,如下图所示,两组天线即可测量到一个到达角度,两个到达角度即可确定设备A位置。关键问题来了,d和D都是已知参数,如何求θ1,和θ2。

3. 到达角度AoA(Angle of Arrive)原理

工作频率:蓝牙信号在ISM (Industrial Scientific and Medical ) 2.40GHz到2.41GHz频段工作,带宽为2M hz,蓝牙分为三个广播信道,37,38,39,并且在蓝牙5.x规范当中,Bluetooth LE部分的扩展广播信道可以在0-39任意信道,也即位蓝牙信标可以工作在任何蓝牙频道。(蓝牙在工作时的工作频率不一致,会影响蓝牙的波长λ发生变化)。

相位:无线信号在空中传播是连续的,RX接收机通常会接受该频段范围内0-2π整个无线信号的传输时间的信号并解调。

到达角度计算:假设目前有一固定频率蓝牙beacon信号在空旷区域进行传播(忽略遇到障碍物以及空中其他2.4G信号干扰),如果两接收机处于相同TX端相同半径上,在某一时刻t,RX接收机接收到的相位差理应为0,但如量接收机处于半径不一致的位置,在某一时刻t,RX接收机的相位是有一个差值。

如果上面的这幅图不好理解,我们换下面的示意图来表示这幅,信号在传输过程中因天线位置不同,在某一个时间t上,采样到该信号的相位有差异。

在已知两天线位置d,beacon信号频率(即波长),可以计算出beacon信号与天线A1,A2直接的相位差θ,在计算出不同位置的两组θ,即可计算出beacon信号的位置。

AoA测量误差

在2维平面为例,会存在两个为a的角度,在现实三位坐标下,则会有一个以a为半径的圆的轨迹线,AoA接收机只知道该beacon信号处于该圆圈轨迹上,但无法判断它们处于哪个位置,这个时候就需要正交天线阵列来确认beacon点的位置坐标。

天线阵列的布置方式多种多样,一为定位,二为最大化减少接收机部署的个数,常见天线整列部署如下所示。

天线阵列举例

TI德州仪器EVM天线阵列

Quuppa接收机拆机天线阵列

4. Bluetooth 5.1 AoA软件部署

蓝牙联盟在5.1协议中为AoA协议在逻辑链路层(LL)做了相应规范。

AoA/AoD可以在1M或者2M常规PHY下工作(不支持编码PHY),支持广播模式和连接模式两种类型。数据传输格式做了如下要求:在PDU数据包中,规范了AoA/AoD规范,CTE是AoA/AoD数据包的扩展数据,持续时常16-160us,250khz信号调制在载波之上,无白化,无CRC效验,该信号用于接收机RX在t时间采样信号I/Q值,计算相位差使用。

5. AoA设计挑战

信号反射干扰

上文讨论是在理想情况下,空旷距离,无其他信号干扰,现实使用场景中RX接收机会接收到自己或者其他aoa becaon信号反射信号,该信号同样携带CTE扩展数据包,但是属于噪声信号需要消除。

时间补偿

一个内核控制多路,除信号在空气介质传输的时间,RF开关切换时间需要考虑在内加以补偿。

角度值误差

测量必有误差,该误差范围通常在3%-5%,需要靠算法降低误差。

6. AoA角度测量芯片供应商

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SN74AHCT16541 具有三态输出的 16 位缓冲器/驱动器

SN74ABT827 具有三态输出的 10 位缓冲器/驱动器

这些10位缓冲器或总线驱动器为宽数据路径或带有奇偶校验的总线提供高性能总线接口。 3态控制门是一个2输入与门,具有低电平有效输入,因此,如果输出使能(OE1 \或OE2)输入为高电平,则所有10个输出都处于高阻态。 'ABT827在输出端提供真实数据。 当VCC介于0和2.1 V之间时,器件在上电或断电期间处于高阻态。但是,为了确保2.1 V以上的高阻态,OE \应通过上拉电阻连接到VCC;电阻的最小值由驱动器的电流吸收能力决定。 SN54ABT827的特点是在-55°C至125°C的整个军用温度范围内工作。 SN74ABT827的工作温度范围为-40°C至85°C。 特性 最先进的EPIC -IIBBiCMOS设计显着降低功耗 流通式架构优化PCB布局 每个JEDEC标准JESD-17的闩锁性能超过500 mA 典型V < sub> OLP (输出接地反弹)&lt; 1 V VCC= 5 V,TA= 25°C 上电和断电期间的高阻状态 高驱动输出(-32-mA IOH,64-mA IOL) 封装选项包括塑料小外形...
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SN74ABT827 具有三态输出的 10 位缓冲器/驱动器

SN7404 六路反向器

这些设备包含六个独立的逆变器。 特性 可靠的德州仪器质量和可靠性 < /DIV> 参数 与其它产品相比 反向缓冲器/驱动器   Technology Family VCC (Min) (V) VCC (Max) (V) Bits (#) Voltage (Nom) (V) F @ Nom Voltage (Max) (Mhz) ICC @ Nom Voltage (Max) (mA) tpd @ Nom Voltage (Max) (ns) IOL (Max) (mA) IOH (Max) (mA) Schmitt Trigger Rating Operating Temperature Range (C) Pin/Package &...
发表于 10-15 15:56 176次 阅读
SN7404 六路反向器

SN74ABT162244 具有三态输出的 16 位缓冲器/驱动器

?? ABT162244器件是16位缓冲器和线路驱动器,专门用于改善三态存储器地址驱动器的性能和密度,时钟驱动器,以及面向总线的接收器和发射器。这些器件可用作四个4位缓冲器,两个8位缓冲器或一个16位缓冲器。这些器件提供同相输出和对称低电平有效输出使能(OE)输入。 输出设计用于提供或吸收高达12 mA的电流,包括等效的25- 用于减少过冲和下冲的串联电阻。 确保上电或上电时的高阻态向下,OE \应通过上拉电阻连接到VCC;电阻的最小值由驱动器的电流吸收能力决定。 这些器件完全适用于使用Ioff和上电3的热插拔应用-州。 Ioff电路禁用输出,防止在断电时损坏通过器件的电流回流。上电和断电期间,上电三态电路将输出置于高阻态,从而防止驱动器冲突。 特性 德州仪器广播公司的成员??系列 输出端口具有等效性25- 串联电阻,所以没有外部电阻是必需 典型VOLP(输出接地反弹)&lt; 1 V VCC= 5 V,TA= 25°C 上电和断电期间的高阻状态 Ioff和上电3状态支持热插拔 分布式VCC和GND引脚最大...
发表于 10-15 15:53 106次 阅读
SN74ABT162244 具有三态输出的 16 位缓冲器/驱动器

SN74ABT16240A 具有三态输出的 16 位缓冲器/驱动器

'ABT16240A器件是16位缓冲器和线路驱动器,专门用于改善三态存储器地址驱动器,时钟驱动器的性能和密度,和面向总线的接收器和发射器。 这些器件可用作4个4位缓冲区,2个8位缓冲区或1个16位缓冲区。这些器件提供反相输出和对称低电平有效输出使能(OE \)输入。 为了确保上电或断电期间的高阻态,OE \应通过上拉电阻连接到VCC;电阻的最小值由驱动器的电流吸收能力决定。 SN54ABT16240A的特点是可在-55°C至125°C的整个军用温度范围内工作。 SN74ABT16240A的工作温度范围为-40°C至85°C。 特性 Widebus和EPIC-IIB是德州仪器公司的商标。 德州仪器WidebusTM家庭成员 最先进的EPIC -IIBTMBiCMOS设计显着降低功耗 典型VOLP(输出接地反弹)&lt; 1 V,VCC= 5 V,TA= 25°C 分布式VCC和GND引脚配置最大限度地降低高速开关噪声 流通式架构优化PCB布局 高驱动输出(-32-mA IOH,64-mA IOL) ...
发表于 10-15 15:43 73次 阅读
SN74ABT16240A 具有三态输出的 16 位缓冲器/驱动器

TMS320VC5507 定点数字信号处理器

TMS320VC5507定点数字信号处理器(DSP)基于TMS320C55x DSP生成CPU处理器内核。 C55x ?? DSP架构通过增加并行性和全面关注降低功耗来实现高性能和低功耗。 CPU支持内部总线结构,该结构由一个程序总线,三个数据读总线,两个数据写总线以及专用于外设和DMA活动的附加总线组成。这些总线能够在一个周期内执行最多三次数据读取和两次数据写入。并行地,DMA控制器每个周期最多可以执行两次数据传输,与CPU活动无关。 C55x CPU提供两个乘法累加(MAC)单元,每个单元能够支持17位×17-单个循环中的位乘法。额外的16位ALU支持中央40位算术/逻辑单元(ALU)。 ALU的使用受指令集控制,提供优化并行活动和功耗的能力。这些资源在C55x CPU的地址单元(AU)和数据单元(DU)中进行管理。 C55x DSP代支持可变字节宽度指令集,以提高代码密度。指令单元(IU)从内部或外部存储器执行32位程序提取,并为程序单元(PU)排队指令。程序单元解码指令,将任务指向AU和DU资源,并管理完全受保护的管道。预测分支功能可避免执行条件指令时的管道冲洗。 5507上的1...
发表于 10-15 11:44 62次 阅读
TMS320VC5507 定点数字信号处理器

TMS320C6711D 浮点数字信号处理器

TMS320C67x ??的DSP(包括TMS320C6711,TMS320C6711B,TMS320C6711C,TMS320C6711D设备)构成浮点DSP家族在TMS320C6000? DSP平台。在C6711,C6711B,C6711C和C6711D设备都是基于高性能,先进的超长指令字(VLIW)架构的德州仪器(TI)开发,使这些DSP的多通道多功能应用的绝佳选择。 C6711D器件的时钟频率为200 MHz,时钟速率高达1200万次(MFLOPS),时钟频率为250 MHz,最高可达1500 MFLOPS,高效DSP编程挑战的有效解决方案。 C6711D DSP具有高速控制器的操作灵活性和阵列处理器的数字能力。该处理器具有32个32位字长的通用寄存器和8个高度独立的功能单元。八个功能单元提供四个浮点/定点ALU,两个定点ALU和两个浮点/定点乘法器。 C6711D每个周期可以产生两个MAC,总共400 MMACS。 C6711D DSP还具有专用硬件逻辑,片上存储器和其他片上外设。 < p> C6711D设备使用基于缓存的两级架构,并具有功能强大且多样化的外设集。 1级程序高速缓存(L1P)是32-Kbit直接映射高速缓存,1级数据高速缓存(L1D)是32-Kbit 2路组...
发表于 10-09 10:37 116次 阅读
TMS320C6711D 浮点数字信号处理器

SMJ320C40 军用浮点数字信号处理器

C40数字信号处理器(DSP)是采用0.72-μm双层金属CMOS技术制造的32位浮点处理器。 320C40是德州仪器(TI)第四代DSP的一部分,主要用于并行处理。 有关设计低温操作时的其他信息,请参阅德州仪器应用报告 320C3x,320C4x和320MCM42x低温上电启动灵敏度,文献编号为SGUA001。 特性 SMJ:MIL-PRF-38535的QML处理 SM:标准处理 TMP :商业级处理TAB 工作温度范围: 军用(M)-55°C至125°C 特殊(S)-55°C至100°C 商业(C)-25°C至85°C 商业(L)0°C至70° 最高性能浮点数字信号处理器(DSP) C40-60: 33-ns指令周期时间: 60 MFLOPS, 30 MIPS,330 MOPS,384 MBps C40-50: 40-ns指令周期时间: ...
发表于 09-29 11:04 53次 阅读
SMJ320C40 军用浮点数字信号处理器

OPA360 采用 SC70 封装具有低通滤波器、内部 G=2 和 SAG 校正的 3V 视频放大器

OPA360高速放大器针对3V便携式视频应用进行了优化。它专门设计用于与嵌入在视频处理器中的数模转换器(DAC)兼容,例如德州仪器?数字媒体处理器系列及其他产品。输入共模范围包括GND,允许视频DAC与OPA360直流耦合。 输出摆幅在25mV的GND范围内,300mV连接到V +,标准的后端视频负载(150 )。内部电平转换电路可防止输出在0V输入时饱和,从而防止普通视频电路中的同步脉冲削波。因此,OPA360非常适合直流耦合到视频负载。如果首选交流耦合,OPA360提供垂度校正功能,可显着减小输出耦合电容的尺寸。 OPA360通过集成垂直校正,内部优化,适用于对空间敏感的应用增益设置电阻(G = 2)和2极视频DAC重建滤波器。 在关断模式下,静态电流减小到 凹陷校正 降低耦合电容器尺寸 输入范围包括接地 直流耦合输入 集成电平转换器 直流耦合输出(1) 无需输出电容器 轨到轨输出 低电流电流:6mA ...
发表于 09-06 16:48 69次 阅读
OPA360 采用 SC70 封装具有低通滤波器、内部 G=2 和 SAG 校正的 3V 视频放大器

OPA361 具有内部增益和滤波器的 3V 视频放大器

OPA361高速放大器针对3V便携式视频应用进行了优化。它专门设计为与德州仪器中嵌入的视频编码器兼容? OMAP2420和DaVinci处理器或具有0.5V PP 视频输出的其他应用处理器。输入共模范围包括GND,允许视频DAC(数字 - 模拟转换器)直流耦合到OPA361。电视检测功能通过促进视频传输的自动启动/停止,显着简化了最终用户界面。 输出摆幅在5mV的GND和250mV到V +之间,带有标准的后端视频负载( 150 )。内部电平转换电路可防止输出在0V输入时饱和,从而防止普通视频电路中的同步脉冲削波。因此,OPA361非常适合与视频负载直流耦合。 OPA361通过集成内部增益设置电阻(G = 5.2V /V)和2来针对空间敏感应用进行了优化 - 极视频DAC重建滤波器。 在关断模式下,静态电流减小到 与OMAP242x和DAVINCI兼容?处理器 2极重构滤波器 输入范围包括接地 直流耦合输入 集成LEVEL SHIFTER 直流耦合输出(1) 无需输出电容 ...
发表于 09-06 16:47 67次 阅读
OPA361 具有内部增益和滤波器的 3V 视频放大器

AMC7834 AMC7834 集成功率放大器监视和控制系统

AMC7834器件是一款针对功率放大器(PA)偏置的高度集成,低功耗,模拟监视和控制解决方案,能够对温度,电流和电压进行监控。 该器件集成了一个多通道12位模数转换器(ADC);八个12位数模转换器(DAC);四个高侧电流感测放大器,可以选择设置它们作为四个独立闭环漏极电流控制器的一部分;一个精确的片上温度传感器和两个远程温度二极管驱动器;四个可配置的通用I /O端口(GPIO);以及一个精确的内部基准。其高集成度极大地减少了组件数量,并且简化了PA偏置系统设计。 该器件具有功能集成和宽工作温度范围等诸多优势,因此适合用作多通道射频(RF)通信系统中PA的一体化,低成本偏置控制电路。凭借灵活的DAC输出范围和宽共模电压电流传感器,此器件可用作针对多种晶体管技术(例如LDMOS,GaA和GaN)的偏置解决方案.AMC7834功能集对通用监视器和控制系统而言同样有益。 德州仪器(TI)提供了一个完备的模拟监视和控制(AMC)产品系列,以满足各类应用不同的通道数,附加特性或者转换器解决方案需求。更多信息,敬访访问www.ti.com.cn/amc。 特性 8个具有可编程范围的单调性12位数模转换器(DAC) 4个双极DAC...
发表于 08-30 16:06 605次 阅读
AMC7834 AMC7834 集成功率放大器监视和控制系统

TRPGR30ATGA TRPGR30ATGA 23mm 低频玻璃封装应答器,R/O

德州仪器(TI)23mm低频(LF)玻璃应答器提供出色性能并可在134.2kHz的共振频率上运行。此产品兼容ISO /IEC 11784/11785全球开放式标准。德州仪器(TI)LF玻璃应答器使用TI获专利的调谐制造工艺生产以提供持续的读取性能。送货前,将对此应答器进行全面的功能和参数测试,为用户提供他们所期望从TI获得的高质量产品。 特性 由获专利的半双工(HDX)技术提供的同类产品中最佳性能 获专利的应用器调谐提供稳定的和高读取性能 80位只读类型 64位芯片ID 对几乎所有非金属物质不敏感< /li> 应用范围 车辆识别 集装箱跟踪 资产管理 参数 与其它产品相比 其他无线技术   Frequency Device Type Standard Transmission Principle Operating Temperature Range (C) Approx. Price (US$) Rating   var link = "zh_CN_folder_p_quick_link_description_features_parametrics"; com.TI.Product.handleQuickLinks('parametric','参数变化','#parametrics',link); TRPGR30ATGA 134.2 kHz     Transponder     ISO11785     HDX - F...
发表于 08-20 18:04 155次 阅读
TRPGR30ATGA TRPGR30ATGA 23mm 低频玻璃封装应答器,R/O

RF430CL331H RF430CL331H 动态 NFC 接口应答器

德州仪器(TI)动态近场通信(NFC)/射频识别(RFID)接口应答器RF430CL331H是一款NFC标签类型4器件,可结合一个非接触式NFC /RFID接口和一个有线I 2 C接口将器件连接到主机.NDEF消息可通过集成的I 2 C串行通信接口读写,也可通过支持高达848kbps速率的集成ISO /IEC 14443标准类型B RF接口进行非接触式访问或更新。 该器件按主机控制器的需求请求响应NFC类型4命令,每次仅在其缓存中存储部分NDEF消息。这使得NDEF消息的大小仅受主机控制器的存储器容量以及规范的限制。 该器件支持读缓存,预取和写自动确认功能,可提高数据吞吐量。 该器件可利用简单而直观的NFC连接切换来替代载波方式,只需一次点击操作即可完成诸如,低功耗(BLE)或Wi- Fi的配对过程或认证过程。 作为一个常见N. FC接口,RF430CL331H使得终端设备能够与启用NFC的智能手机,平板电脑和笔记本电脑这类快速发展的基础设施进行通信。 特性 通过直通操作向主机控制器发送数据更新和请求 I 2 C接口允许对内部静态随机存取存储器(SRAM)进行读写操作 预取,缓存和自动应答特性提高数据吞吐量 支持数据流 <...
发表于 08-20 17:57 181次 阅读
RF430CL331H RF430CL331H 动态 NFC 接口应答器
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