本文基于两个实际工程展开分析：
工程硬件平台角色关键源码 initiator nRF54LM20 DK（nrf54lm20b/cpuapp） CS 发起端（Initiator）+ 测距请求方（RAS RREQ） src/connected_cs_initiator.c xiao_led Seeed XIAO nRF54L15 CS 反射端（Reflector）+ 测距响应方（RAS RRSP） src/main.c 两个设备通过 BLE 连接后协作完成蓝牙信道探测（Channel Sounding, CS）测距， 发起端实时输出 IFFT、相位斜率（PBR）、往返时间（RTT）三种距离估计值。
一、技术原理
1.1 BLE Channel Sounding 是什么
Channel Sounding 是蓝牙核心规范 Core 6.0 引入的安全精细测距（Fine Ranging）特性。 与传统的 RSSI 测距（误差可达数米）不同，CS 直接测量电磁波的传播时间和相位变化， 在真实多径环境下可实现亚米级精度，同时通过 CS Security 机制抵御中继/中路人为欺骗攻击。
CS 测距由两个角色协作完成：
Initiator（发起端）：发送 CS 同步包并启动测量流程（本文的 initiator 工程）；
Reflector（反射端）：接收并回传同步包（本文的 xiao_led 工程）。
一次完整的测量以 Procedure（测距流程）→ Event → Subevent → Step 的层级组织。 每个 Step 对应一次特定的射频收发动作，规范定义了四种 Step 模式：
| Mode-0 | 校准 | 双方内部时钟对齐校准 | 消除收发切换延迟 |
| Mode-1 | RTT 包 | 精确时间戳（ToA/ToD） | 往返时间法（RTT） |
| Mode-2 | 单音序列 | 每个信道的 IQ 相位采样 | 基于相位的测距（PBR） |
| Mode-3 | 混合 | RTT 包 + 单音序列 | RTT + PBR 融合 |
1.2 两种核心测距方法
方法一：往返时间法（RTT，Round-Trip Time）原理非常直观：电磁波以光速传播，测量信号往返时间即可算出距离。
2d = c × (ToA_initiator − ToD_initiator − ToD_reflector偏移 − ToA_reflector偏移)
在 Mode-1 Step 中，双方各自记录"本端发送时刻/对端到达时刻"的时间差：
tof = ( toa_tod_initiator − tod_toa_reflector ) / 4 （单位：双倍时钟 tick）
源码中的实现（distance_estimation.c，简单版）：
tof = (mode_1_data[i].toa_tod_initiator - mode_1_data[i].tod_toa_reflector) / 2; tof_mean_ns = tof_mean / 2.0f; distance = tof_mean_ns * SPEED_OF_LIGHT_NM_PER_S;
关键点：Mode-0 步骤测出双方设备的时钟偏移与收发切换延迟， 在计算中抵消掉，否则纳秒级误差就会放大成分米级距离误差 （光速下 1 ns ≈ 30 cm）。
优点：计算简单、抗多径相对好、不需要相位连续性
缺点：单次精度受限于时间戳分辨率（约 ±15 cm）
Mode-2 中，发起端和反射端在 72 个 BLE 射频信道（2402 MHz 起，每信道 1 MHz） 上交替发送单音信号，双方接收机的 IQ 解调模块采样出每个信道的复数相位：
θ(f) = 4π·f·d / c + φ0
两个设备的相位相乘共轭合并后，得到只含距离信息的相位序列：
calc_complex_product(local_iq.i, local_iq.q, peer_iq.i, peer_iq.q, &combined_i, &combined_q); theta[n] = atan2(combined_q, combined_i);
由于相位以 2π 为周期会出现"跳变"，必须先做相位解缠绕（Phase Unwrapping）：
if (difference > PI) theta[j] -= 2π; /* 向后回绕 */ else if (difference < -PI) theta[j] += 2π; /* 向前补偿 */
然后对 (频率, 相位) 序列做最小二乘线性回归，得到相位-频率斜率：
phase_slope = linear_regression(frequencies, theta, n); distance = -phase_slope * (c / (4π)) / 1e6; /* 米 */
斜率越大代表相位随频率变化越快，即传播路径越长。
优点：精度高（可达 10 cm 级）、天然抗时钟偏差
缺点：多径反射会导致相位畸变，需要良好的滤波与质量评估
Nordic 的距离估算库 cs_de 对 PBR 数据做了进一步加工： 把多信道 IQ 相位序列转换为频域冲激响应（512 点 FFT，CONFIG_BT_CS_DE_512_NFFT=y）， 对冲激响应做超分辨率分析，提取直达径的"飞行时间"谱峰。 它本质上与相位斜率法共享数据，但对多径环境更鲁棒，输出 ifft 估计值。
1.3 RAS：把原始测距数据搬运到发起端
BLE CS 有一个独特的架构约束：Reflector 侧也产生测量数据（Mode-2 时它同样进行 IQ 采样；RTT 时间戳双方都要交换）。 为了让 Reflector 的数据能到达 Initiator 做统一解算，蓝牙规范定义了Ranging Service（RAS，UUID 0x185B）：
RREQ（Ranging Requestor，发起端）：订阅 RAS 特征、读取/接收测距数据；
RRSP（Ranging Responder，反射端）：缓存本端 Step 数据，通过 GATT 传输给对端。
RAS 支持两种数据投递模式（本工程两种都支持，按对方能力动态选择）：
Real-time（实时）：Reflector 在 CS Procedure 进行中实时 Notify 数据；
On-demand（按需）：Reflector 缓存完成后由 RREQ 通过 Control Procedure 拉取。
1.4 测距软件链路总览
┌────────── 射频层（SoftDevice Controller / 硬件 radio） ──────────┐ │ Mode-0 校准 → Mode-1 RTT 包 → Mode-2 IQ 单音 → ...循环 │ └──────────────────────────┬───────────────────────────────────┘ │ HCI 事件（subevent step data） ┌──────────────────────────▼───────────────────────────────────┐ │ Zephyr BT Host：bt_le_cs_* API / conn 回调 │ │ RAS 层：本端数据留存 + GATT 交换对端数据 │ └──────────────────────────┬───────────────────────────────────┘ │ 合并后的 local + peer step data ┌──────────────────────────▼───────────────────────────────────┐ │ cs_de_calc()：质量检查 → IQ 平均 → PBR/IFFT/RTT 三路解算 │ │ 应用层：9 点滑窗 + 中值滤波 → 最终距离输出 │ └──────────────────────────────────────────────────────────────┘
二、项目实现详解
2.1 反射端工程 xiao_led（XIAO nRF54L15）
2.1.1 硬件适配：RF 开关的设备树配置XIAO nRF54L15 板载一个射频开关（用于 CS 天线选择），必须在设备树 overlay 中声明给蓝牙控制器的天线复用驱动boards/xiao_nrf54l15_nrf54l15_cpuapp.overlay：
cs_antenna_switch: cs-antenna-config {
status = "okay";
compatible = "nordic,bt-cs-antenna-switch";
ant-gpios = <&gpio2 5 GPIO_ACTIVE_LOW>, /* rfsw-ctl：开关通道选择 */
<&gpio2 3 GPIO_ACTIVE_HIGH>; /* rfsw-pwr：开关供电使能 */
multiplexing-mode = <0>;
};同时关闭与 RF 开关冲突的 PDM 麦克风电源域，避免 GPIO 被占用。 控制器的 CS 天线路径配置（BT_CTLR_SDC_CS_*）与该节点配合， 射频硬件在 Mode-2 单音收发时自动切换天线。
2.1.2 Kconfig：精简的反射端配置prj.conf的关键配置：
CONFIG_BT_LL_SW_SPLIT=n # 强制只用 SoftDevice Controller（Zephyr 软控制器不支持 CS） CONFIG_BT_CHANNEL_SOUNDING=y # 启用 CS 主机支持 CONFIG_BT_RAS=y CONFIG_BT_RAS_RRSP=y # 本设备作为 Ranging Responder CONFIG_BT_CTLR_SDC_CS_ROLE_REFLECTOR_ONLY=y # 控制器只保留反射角色，省资源 CONFIG_BT_RAS_MAX_ANTENNA_PATHS=1 # 单天线，简化 XIAO 硬件 CONFIG_BT_L2CAP_TX_MTU=498 # Ranging Profile 要求 MTU ≥ 2472.1.3 应用逻辑
反射端是"被动"角色，代码分四块：
1. LED 连接指示（工程名由来）——用 devicetree led0 别名封装dk_leds_init() / dk_set_led_on()，连接成功点亮、断开熄灭。
2. 广播 RAS 服务，让发起端能按 UUID 过滤找到自己：
static const struct bt_data ad[] = {
BT_DATA_BYTES(BT_DATA_FLAGS, (BT_LE_AD_GENERAL | BT_LE_AD_NO_BREDR)),
BT_DATA_BYTES(BT_DATA_UUID16_ALL, BT_UUID_16_ENCODE(BT_UUID_RANGING_SERVICE_VAL)),
BT_DATA(BT_DATA_NAME_COMPLETE, CONFIG_BT_DEVICE_NAME, ...),
};3. CS 连接回调链：作为外设，大部分 CS 流程由协议栈自动完成， 代码只需在回调里记录状态：
BT_CONN_CB_DEFINE(conn_cb) = {
.connected = connected_cb,
.disconnected = disconnected_cb,
.le_cs_read_remote_capabilities_complete = remote_capabilities_cb, /* 能力交换 */
.le_cs_config_complete = config_create_cb, /* CS 配置建立 */
.le_cs_security_enable_complete = security_enable_cb, /* CS 安全激活 */
.le_cs_procedure_enable_complete = procedure_enable_cb, /* 测距启动 */
};4. 主循环：连接后完成反射角色设置与测距参数写入
const struct bt_le_cs_set_default_settings_param default_settings = {
.enable_initiator_role = false,
.enable_reflector_role = true, /* 我只当反射端 */
.cs_sync_antenna_selection = BT_LE_CS_ANTENNA_SELECTION_OPT_REPETITIVE,
.max_tx_power = BT_HCI_OP_LE_CS_MAX_MAX_TX_POWER, /* 满功率发射 */
};
bt_le_cs_set_default_settings(connection, &default_settings);
/* 等待对端创建 config 后，写入 procedure 时序参数（subevent 长度、PHY、天线配置等）*/断开后 sys_reboot(SYS_REBOOT_COLD) 冷重启复位状态机，回到广播等待下一次测量。
2.2 发起端工程 initiator（nRF54LM20 DK）
发起端是整个系统的"大脑"，负责：扫描连接 → 建立 CS → 收集双方原始数据 → 解算距离。
2.2.1 连接建立流程（main 函数前半段）被动扫描（RAS UUID 过滤） → 连接 → 加密（L2） → MTU 交换(498) → GATT 服务发现（Ranging Service） → 读 RAS 特性位 → 订阅 RAS 数据通道 → CS 能力交换 → 创建 CS 配置 → CS 安全激活 → 设置 Procedure 参数 → 启动测距
每一步都由信号量（k_sem）串行同步，确保协议栈时序正确：
k_sem_take(&sem_connected, K_FOREVER); /* 等连接 */ bt_conn_set_security(connection, BT_SECURITY_L2); /* CS 安全要求加密链路 */ ... bt_gatt_dm_start(connection, BT_UUID_RANGING_SERVICE, &discovery_cb, NULL);
CS 配置的核心参数（cs_config_get()）：
config_params->mode = CS_CONFIG_MODE; /* Kconfig 选择：Mode2+子模式1 等 */ config_params->min_main_mode_steps = 2; config_params->max_main_mode_steps = 5; config_params->mode_0_steps = 3; /* 3 个校准步 */ config_params->role = BT_CONN_LE_CS_ROLE_INITIATOR; config_params->rtt_type = BT_CONN_LE_CS_RTT_TYPE_AA_ONLY; config_params->channel_selection_type = BT_CONN_LE_CS_CHSEL_TYPE_3B;
bt_le_cs_set_valid_chmap_bits() 会把 79 个经典信道中 CS 不可用的边缘信道剔除， 生成合法的 72 信道图。
2.2.2 本端 Step 数据的采集CS Procedure 运行后，控制器每完成一个 subevent 就上报一次， 应用在连接回调 subevent_result_cb 中把本端（Initiator 视角）的原始 HCI step data 追加进缓冲区：
static void subevent_result_cb(struct bt_conn *conn,
struct bt_conn_le_cs_subevent_result *result)
{
...
net_buf_simple_add_mem(&latest_local_steps, step_data, len);
if (result->header.procedure_done_status == BT_CONN_LE_CS_PROCEDURE_COMPLETE) {
/* 记录 ranging counter，等待对端同编号数据 */
}
}2.2.3 对端数据的获取（RAS 双模式）读取 RAS 特性位后动态选择投递方式：
if (ras_feature_bits & RAS_FEAT_REALTIME_RD) {
/* 对端支持实时模式：直接订阅实时测距数据 */
bt_ras_rreq_realtime_rd_subscribe(connection, &latest_peer_steps, ranging_data_cb);
} else {
/* 否则走按需模式：RD Ready 订阅 + Control Procedure 拉取 */
bt_ras_rreq_rd_ready_subscribe(connection, ranging_data_ready_cb);
bt_ras_rreq_on_demand_rd_subscribe(connection);
bt_ras_rreq_cp_subscribe(connection);
}ranging_data_ready_cb 里用 ranging counter 对账确保本端和对端数据来自 同一次 Procedure，防止新旧数据错配：
if (ranging_counter == most_recent_local_ranging_counter) {
bt_ras_rreq_cp_get_ranging_data(connection, &latest_peer_steps,
ranging_counter, ranging_data_cb);
}2.2.4 数据解析与质量过滤收到成对数据后，用 bt_ras_rreq_rd_subevent_data_parse() 同步遍历 local/peer 两个数据流，按 Step 模式分流处理：
Mode-2/3 步：extract_pcts() 解析双方的 IQ 相位校正项（PCT）， 经 bt_le_cs_parse_pct() 还原为复数 IQ 样本； 只接受 TONE_QUALITY_HIGH 的采样点，并按天线路径分桶做累积平均降噪。
Mode-1 步：extract_rtt_timings() 校验 AA 检查、RSSI、时间戳有效性后， 累加 (toa_tod_initiator − tod_toa_reflector) 得到 RTT 累计值。
此外 m_is_tone_quality_ok() 统计有效 IQ 的信道数， 低于 15 个信道则标记该次测距音质不合格。
2.2.5 距离解算与滤波输出调用 Nordic 预编译解算库一步完成三路估计：
cs_de_quality_t quality = cs_de_calc(&m_cs_de_report);
if (quality == CS_DE_QUALITY_OK) {
store_distance_estimates_in_buffer(&m_cs_de_report.distance_estimates[ap],
&distance_estimate_buffers[ap]);
}应用层在库输出之上再加一层滑窗中值滤波，抑制偶发的多径跳变：
#define DE_SLIDING_WINDOW_SIZE 9 /* 每种算法维护最近 9 次有效估计，取中位数作为输出 */ averaged_result.ifft = median_inplace(num_ifft, temp_ifft); averaged_result.phase_slope = median_inplace(num_phase_slope, temp_phase_slope); averaged_result.rtt = median_inplace(num_rtt, temp_rtt);
最后主循环打印：
Latest distance estimates on antenna path 0: ifft: 1.23, phase_slope: 1.31, rtt: 1.40 meters
（选择中位数而非均值，是因为多径尖峰属于离群值，中值更鲁棒； 缓冲区用互斥锁保护，因为它同时被 BT RX 线程和主线程访问。）
2.3 双端协作时序
XIAO nRF54L15 (Reflector/RRSP) nRF54LM20 DK (Initiator/RREQ) │ │ │◄──────── 广播(RAS UUID 0x185B) ────────│ 扫描过滤，自动连接 │◄────────── 加密 + MTU 交换 ────────────│ │◄────────── GATT 服务发现 ──────────────│ │ ... │ CS 能力/配置/安全协商（HCI 自动完成） │◄────────── procedure parameters ───────│ │ ═══ CS Procedure 运行 ═══ │◄─ subevent_result_cb 存本端数据 │── RAS Notify: 对端 step data ─────────►│ │ │ ranging counter 对账 │ │ cs_de_calc() 解算 │ │ 9 点滑窗中值滤波 │ │ → 打印三路距离估计
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实际结果如下图所示
串口输出结果
我要赚赏金
STM32
MCU
通讯及无线技术
物联网技术
电子DIY
板卡试用
基础知识
软件与操作系统
我爱生活
小e食堂
