UWB芯片原厂主要(TOP23)!

手机技术资讯 2022-05-14 14:08

超宽带技术(UWB)是最佳定位跟踪技术,因为UWB的设计初衷就是实现高精度测距估计,同时进行双向通信。所以,UWB是当今最好、最先进的定位技术。今天,就带大家深入地了解一下UWB技术的工作原理。

1、为什么说UWB最适合室内定位跟踪?


UWB的固有特性意味着,它可以实现比其他技术更精确的室内定位和距离测量。

如图1所示,UWB脉冲(中间和右侧图)只有2纳秒(ns)宽,因此不受反射信号(多路径)干扰和噪声的影响。UWB射频(RF)脉冲边缘清晰,因此在日常环境中,在常见的信号反射和多路径效应的情况下,仍能精确测定到达时间和距离。

图1

将UWB作为解决方案时,反射信号(灰色)不会影响直接信号(蓝色)。IR-UWB 信号(中间和右侧)的上升和下降时间(边沿)比标准窄带信号(左侧)更短,因此可以精确地测量信号的到达时间。这也有助于UWB信号在存在噪声和多径效应的情况下保持其完整性和结构。

即使在噪声条件下,如图1(右侧)所示,2ns宽的脉冲无线电UWB脉冲的到达时间几乎未受影响。相比之下,如图2所示,窄带信号受到噪声的影响比较明显。

图2

我们已使用窄带无线电技术对基于ToF的方法进行了试验。如图3所示,窄带信号对多路径非常敏感,因为反射信号(深灰色)可与直达经信号(浅灰色)进行具有破坏性的结合,从而在接收机端生成最终信号(蓝色)。这会影响信号超越阈值(用于测量ToA)的时间,从而降低精度。

图3

UWB的精度优势非常明显。UWB完全能够以5至10厘米的精度测量距离和位置。相比之下,蓝牙、Wi-Fi,以及其他窄带无线电标准只能实现米级精度。

此外,由于UWB无线电脉冲极短,多径效应下,直达径信号不会与多径信号重叠,因此不会损坏信号完整性和强度。

这表明,UWB具有以下特性:

  • 超精准,提供厘米级精度,比BLE和Wi-Fi精确100倍;


  • 超可靠,在存在多径反射的情况下能够保持信号完整性。


2、UWB拓扑结构比较和选择


UWB利用ToF的概念,这是一种通过将信号的ToF乘以光速来测量两个无线电收发器之间距离的方法。基于这个基本原理,可根据目标应用的需求以不同的方式实现UWB定位技术。

最佳拓扑结构主要由应用决定。这也就是说,设计工程师首先要将应用和拓扑结构匹配。可供选择的方法有:


  • 双向测距(TWR):如图2-9所示,TWR方法可通过测定UWB射频信号的 ToF,然后将该时间乘以光速来计算标签与锚点之间的距离。汽车无钥门禁系统就是使用TWR方法的一个应用示例TWR可生成一个安全空间,类似于一个安全气泡,同时确保在应用的时候,这个气泡保持高精度的安全控制。



如果您在两个设备之间实施TWR方案,则可以获得设备之间的距离信息。在TWR方案的基础上,您还可以在移动标签和固定锚点之间实现2D甚至3D位置测量,这种称为“三边测量法”。


采用TWR方法,可交换三条消息。标签通过发送一条含已知锚点地址的轮询消息启动TWR。锚点记录轮询接收时间,并回复响应消息。在收到响应消息后,标签记录时间并编写最后一条消息。锚点可利用最后一条消息中的信息确定UWB信号的ToF。


TWR方法也可用于图2-10和图2-11所示的2D/3D资产场景。图2-10显示使用监听器的双向测距,而图2-11显示使用数据标签回程的TWR。如图2-11所示,数据回传可以使用多种方法(如Wi-Fi、NB-IoT、LTE-M等)实现,通过这些方法将数据传输至云。




  • 到达时间差(TDoA)和反TDoA:TDoA和反向TDoA方法类似于GPS。在已知的固定场所部署了多个参考点,称为“锚点”,且这些锚点在时间方面实现了紧密同步。如果为TDoA,移动设备将闪烁(也就是定期发送信息),当锚点接收到信标信号时,将基于共同的同步时基标记时间戳。然后,多个锚点的时间戳将转发至中央定位引擎,中央定位引擎将根据每个锚点的信标信号 TDoA运行多点定位算法。最后将得到移动设备的2D或3D位置,如图2-12所示。反向TDoA更像GPS。在该系统中,锚点发送同步信标(具有固定/已知偏移,以避免发生碰撞),移动设备利用TDoA和多点定位算法来计算其位置,如图2-13所示。



  • 到达相位差(PDoA):另一个UWB拓扑就是PDoA。PDoA可将两个设备之间的距离与两者之间的方位测量结合在一起,如图2-14所示。利用距离和方位的组合信息,可在没有任何其他基础设施的情况下计算出两个设备的相对位置。为此,其中一个设备必须配备至少2根天线,并且能够测量每根天线处到达信号载波的相位差。相位完全不受天线变形的影响,并且可实现优于 10°的测量精度,从而可以在不到5°的情况下确定发射器的方位。




对于每种拓扑结构,分别最适合哪种应用?这些用例主要侧重于三个不同的领域:感应式门禁、定位服务和设备对设备(点对点)应用。

图4详细介绍了TWR、TDoA、反向TDoA和PDoA拓扑结构的最佳应用。

图4

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