原创 什么是UWB呢?

2024-6-25 09:11 198 1 1 分类: 通信 文集: 我的自学旅程

什么是UWB呢?


所谓UWB(Ultra Wide Band,超宽带),是一种利用超宽带无线载波通信技术的芯片,它通过极短的电磁脉冲来传输数据,并计算从接收器和发射器之间的时间差来确定物体的位置,可以在几厘米到几毫米的范围内定位目标。UWB所使用的频段包括3.1-4.8GHz低频段和6-10.6GHz高频段两种,因此被称为“超宽带”。

与不少最近热门的技术一样,UWB(Ultra-Wideband)技术也不是最新才出现的,同样是“科技考古”和“军转民”的产物。其起源于上世纪60年代,UWB技术最初用于军事领域,特别是在雷达和定位系统中。由于其宽频带特性和低功率传输,UWB信号具有较好的穿透能力和抗干扰能力。而在90年代,随着苏联的轰然倒塌,冷战结束,许多军事技术开始转向民用。UWB技术也逐渐被应用于商业领域,如无线通信、无线传感器网络和定位系统。2002年,美国联邦通信委员会(FCC)批准了UWB技术在民用领域的使用,为UWB技术的发展和应用奠定了基础。此后,其他国家和地区也陆续批准了UWB技术的民用使用,而为了进一步推动UWB技术的标准化,国际电信联盟(ITU)和欧洲电信标准协会(ETSI)等组织开始制定相关的国际标准。这些标准包括物理层(PHY)和数据链路层(MAC)的技术规范,为UWB设备的研发和生产提供了依据。而到如今,随着物联网和智能设备的快速发展,UWB技术开始应用于更多新兴领域。例如,UWB技术可以用于精确室内定位、无线充电、智能家居设备之间的通信等。那么UWB是如何做到精确定位的呢?   

          

UWB如何实现精准定位?


要想了解UWB芯片为什么能实现精准的定位,就要先了解到两个UWB领域简单的基础概念:锚点和标签。

  • 锚点通常就是固定的UWB设备。
  • 标签通常是指移动的UWB设备。

锚点和标签可交换信息,以便确定两者之间的距离。标签的确切位置可通过与多个锚点通信来确定。一些设备可作为锚点,也可作为标签。例如,当两个移动手机使用UWB来计算相互之间的距离时,它们可以在计算过程中转化角色,交替地用作标签和锚点。

UWB定位技术主要基于三种原理:双向测距(TWR)、到达时间差(TDoA)和到达相位差(PDoA),每种原理都有其独特的应用场景和优势。

首先,我们先来看看双向测距(TWR)技术。其原理十分直观就是通过测量信号往返于标签和锚点之间的时间(即往返时间),并乘以光速,来计算两者之间的距离。在具体的实现上,第一步是由设备A(发起者)发送一个特殊的UWB脉冲信号给设备B(接收者)用于初始化;第二步为第一轮时间戳记录,设备A在发送信号时记录下时间戳T1,设备B在接收到信号时记录下时间戳T2;第三步,为建立应答信号,设备B在接收到信号后,会立即发送一个应答信号给设备A,并在发送时记录下时间戳T3;第四步会记录第二轮时间戳,设备A在接收到应答信号时记录下时间戳T4;而最后一步,就是计算距离,设备A和设备B通过交换这些时间戳,可以计算出信号在两个方向上的传播时间。假设信号在两个方向上的传播速度相同,则可以计算出两个设备之间的距离。   


这种双向测距(TWR)技术通常被用在车辆无钥匙进入系统之中,其优势是精度较高,且系统简单。

其次,另一种原理为到达时间差(TDoA)技术。TDoA(Time Difference of Arrival,到达时间差)和反向TDoA方法的工作原理与GPS定位系统相似,通过在固定位置部署一系列的参考点,即“锚点”,并确保这些锚点在时间上精确同步。在TDoA系统中,移动设备会定期发送信号,当锚点接收到这些信号时,它们会记录下基于共同同步时钟的时间戳。随后,这些时间戳会被发送到一个中央定位引擎,该引擎会利用多点定位算法和接收到的信号的时间差来确定移动设备的位置,从而得出移动设备的二维(2D)或三维(3D)坐标。   


反向TDoA的工作方式则略有不同,更接近于传统的GPS系统。在这种系统中,锚点会发送同步信号,这些信号具有预定或已知的偏移量,以防止信号间的干扰。移动设备接收到这些信号后,会使用TDoA技术和多点定位算法来计算自己的位置。这种方法使得移动设备能够独立地确定自己的位置,而不需要依赖于外部的主定位引擎。

而最后一种常用的UWB测距技术,到达相位差(Phase Difference of Arrival, PDoA)是一种基于相位测量的定位技术,它结合了两个设备之间的距离测量和方位角测量。通过这种结合,可以在没有其他基础设施辅助的情况下计算两个设备之间的相对位置。   



在PDoA系统中,至少有一个设备需要装备两根或更多天线,并且能够测量信号到达每根天线时的相位差。由于相位差测量对天线形状的变化不敏感,因此可以实现非常高的测量精度,通常优于10°。这意味着,通过测量相位差,可以非常准确地确定发射器的方位角,其误差通常在5°以下。其具体实现方法原理为:   

信号发射,一个带有UWB发射器的移动设备(称为标签)向周围的多个接收器(称为锚点)发送UWB信号;信号接收,每个锚点接收到标签发出的UWB信号,并记录下接收到信号的相位信息;相位差计算,通过比较不同锚点接收到的信号的相位差,可以计算出标签相对于每个锚点的相对位置。相位差是由于标签到每个锚点的距离不同导致的;定位算法,利用三角测量或其他几何算法,结合锚点的位置信息和相位差数据,计算出标签的确切位置。

结束语

UWB技术作为一种近几年重新兴起的定位技术,凭借其高精度、低功耗、抗干扰等优势,在各个领域展现出巨大的应用潜力。从苹果的AirTag到智能家居,从工业自动化到医疗健康,UWB技术正在改变着我们的生活和工作方式。

随着UWB技术的不断发展和完善,我们可以期待更多创新应用的出现。例如,在自动驾驶领域,UWB技术可以用于实现车辆之间的精确距离测量和位置感知,从而提高自动驾驶的安全性;在智慧城市领域,UWB技术可以用于构建高精度室内外定位系统,为市民提供更加便捷的生活服务;在智能制造领域,UWB技术可以用于实现设备的精准定位和跟踪,提高生产效率和安全性。随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展,相信UWB技术将会在未来发挥更大的作用,为人类社会带来更多的便利和福祉。


作者: 丙丁先生, 来源:面包板社区

链接: https://mbb.eet-china.com/blog/uid-me-3996156.html

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