原创使用 UWB 技术的卓越汽车

 2023-6-1 10:29  810 9 9 分类: 汽车电子

想象一种用于距离和定位的无线通信技术，该技术尺寸小巧且经济高效，同时还可以实时提供厘米级精度。这就是超宽带技术 (UWB)。

引言
对于消费者和车队来说，无线定位/距离感测和安全通信是确保新兴汽车系统具有出色便利性、性能、安保和安全功能的支柱。人们对自动驾驶和增强驾驶员辅助功能的需求不断增加。然而，人们熟悉的短距离相对位置感测技术在汽车应用中存在局限性，其中最明显的有：延迟/位置更新速率、定位精度，以及随附通信功能的安全性。
最近的一项重新使用的技术，即超宽带技术 (UWB)，有望显著增强短距离相对位置感测功能，确保车辆之间的通信安全，并开发许多先前不可行的高级汽车功能。什么是 UWB？

超宽带技术 (UWB) 是一种基于 IEEE 802.15.4z 的无线标准，旨在提供精确定位和安全通信。UWB 在可靠性、定位精度、定位延迟/更新速率和安全性方面优于许多现有的无线标准，不仅经济实惠，而且小巧紧凑。此外，由于 UWB 物理层协议的性质，UWB 通信和位置感测不受多路径和干扰的影响，同时可实现低能耗。

UWB 的工作原理是什么？
UWB 采用超宽带宽和具有极陡上升/下降时间的短脉冲（约 2 纳秒），利用二进制相移键控 (BPSK) 和/或脉位调制 (BPM) 对数据进行编码。UWB 采用两个连续的脉冲无线电 (IR) 信号来代表一个符号，且 IR 信号可以占据一个时间帧 (Tf) 内的一个码片间隔 (Tc)。跳时码用于确定信号在某个特定时间帧内的准确位置，从而尽可能减少 UWB 系统之间发生干扰的机会。

超宽带使用极窄的短脉冲序列传输信息

每次 UWB 通信都带时间戳。时间戳允许使用两个无线电装置之间的信号飞行时间 (ToF)，来计算这两个无线电装置之间的距离，即点对点 (P2P) 双向测距 (TWR)。
这种测量两个 UWB 通信无线电间距离的方法不仅安全独特，而且不受多路径的影响，因为最短路径往往就是两个无线电之间的最短距离。
通过进一步扩展此概念，以包含分布在整个环境中的额外锚点，就可以实现实时导航。利用空间内的多个同步锚点，同时使用到达时间差 (TDoA) 或反向 TDoA (RTDoA)，即可确定标签在 3D 空间内的准确位置。
假设 UWB 标签装有多根天线。在这种情况下，通过确定通信无线电的距离和方位，使用到达相位差 (PDoA)，即可计算两个设备的相对位置。当前定位技术概述
目前，使用现代无线通信技术进行距离/位置测量的方法有 5 种：RFID、Wi-Fi、蓝牙、GPS 和 UWB。RFID、Wi-Fi 和蓝牙使用 RSSI 计算距离。RSSI 用于衡量发射和接收无线电之间的相对信号强度，在了解特定信道信息的情况下，可用于粗略估计距离。另一种方法就是 GPS，它测量用户设备 (UE) 与多个时间同步卫星之间的 ToF，可用于计算相对于卫星星座的 3D 位置。最后是 Qorvo 的 IR UWB ToF 技术。

各种无线定位和通信标准对比

这些方法与 Qorvo IR UWB ToF 之间的主要区别在于，UWB 方法采用时间非常短的极高带宽带频率信号。窄带 ToF 系统采用只在一个窄频段上传输的短脉冲。Wi-Fi、蓝牙和 RFID 也使用 ToF，但带宽受限，与 UWB 相比，它们无法生成具有快速上升/下降时间的极短脉冲（边缘清晰）（图 4）。UWB 的超宽带带宽表示信号能量分布在整个超宽频段范围内，这意味着在任何给定频率下，协议相对而言不受干扰影响。这种非常快速的上升/下降时间以及短暂的 UWB 脉冲时间尽可能减少了多经干扰的影响，并可实现非常精确的时间测量，从而提高了精确度。

RSSI、Wi-Fi、蓝牙、窄带 ToF 和 Qorvo IR UWB ToF 之间的距离/定位测量比较

以上就是与蓝牙、Wi-Fi 和 RFID 相比，UWB 可在距离相对较远的两个设备之间实现厘米级精度测量的原因。此外，UWB 通信协议的最高吞吐量为 27Mbps，高于除 Wi-Fi 之外的所有其他协议。极短脉冲和快速的距离/位置计算表明，UWB 可使用适合 3D 跟踪的亚毫秒速度进行实时距离/定位跟踪，比 GPS 快约 100 倍。此外，UWB 标签和锚点成本低，功效高，可实现协议和硬件支持的大规模扩展。

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