『这个知识不太冷』UWB背景信息介绍(上)

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『这个知识不太冷』系列,旨在帮助小伙伴们唤醒知识的记忆,将挑选一部分Qorvo划重点的知识点,结合产业现状解读,以此温故知新、查漏补缺。
 
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我们可以说UWB是当今最好、最先进的定位技术,但证据呢?要回答这个问题,我们需要透过现象看本质。本文将探讨UWB技术的内部工作原理,并概述UWB和窄带定位方法之间的差异。
 
UWB与窄带进行比较
 
适用于室内和室外定位应用的技术有多种,但UWB最精确、最可靠且最具成本效益;通常也更具可扩展性。将UWB技术与最流行的窄带方法进行比较,可以清楚地说明这一点,这也是我们要做的。
 
一切都取决于带宽
 
从一开始,脉冲无线电UWB的设计目的就是实现高精度测距估计,同时进行双向通信。这样它就可以收集传感器数据,并控制执行器。
 
脉冲无线电是UWB信号的一种形式,它的特性使其成为密集多径环境中定位和通信服务的理想选择。
 
除了其定位功能,Qorvo UWB技术还符合IEEE 802.15.4a标准和近期发布的IEEE 802.15.4z标准。因此,除了厘米级测距精度,开发人员还强调要确保该技术稳定且不受各种干扰的影响,从而实现更高的可靠性。制定该标准时,还考虑了低功耗和低成本因素,以及支持大量互连设备的能力。工程师们在创建该标准时有一个愿景:让每个互连对象都具有“定位感知”能力。
 
联邦通信委员会 (FCC) 将UWB无线电频率范围定义为3.1GHz至10.6GHz,最低信号带宽为500MHz(参见图1)。与其他无线电技术不同,UWB并不使用幅度或频率调制来编码其信号传输的信息。相反,UWB采用非常窄的短脉冲序列,利用二进制相移键控 (BPSK) 和/或脉位调制 (BPM) 对数据进行编码。使用窄脉冲导致传输表现出宽带宽特性,从而可以扩大范围,降低对窄带干扰的敏感度,并且能够在存在多路径反射的情况下运行。
 
RSSI的限制
 
在当今的许多应用中,定位跟踪采用接收信号强度指示器 (RSSI) 实现。在RSSI应用中,无线电信号的强度随自由空间中与发射机距离的平方反比而变化,如图2 所示。当信号远离信号源时,信号强度就会减弱。
UWB频谱
图1:UWB频谱
 
 
信号源电场
图2:信号源电场
 
将RSSI配合Wi-Fi和蓝牙802.11标准一起使用。根据已知的发射端设备的发射功率,就可以预测设备之间的距离。然而,这些类型的测量也存在缺陷,我们接下来会进行讨论。
 
使用蓝牙的定位跟踪
 
蓝牙定位跟踪,如蓝牙低功耗 (BLE) 信标,在某些情况下很有效。信标主要用于接近检测。它们会在设备(如电话)处于覆盖范围内时进行检测,并通过区分信号强度 (RSSI) 的强弱来估算距离。
 
这种方法的问题在于,信号强度并不能很好地反映距离。如果信号强度低,是意味着电话离信标很远,还是意味着信标和电话之间存在一个巨大的柱子?如图3所示,每个信标与接收电话之间的视线 (LOS) 有好有坏;每个障碍物都会改变距离测量的整体精度。
 
信标信号应用
图3:信标信号应用(图中显示了信标和移动设备)
 
设备A可以从会议室天花板上的信标接收到非常强的信号,但墙壁使会议室外部附近角落的信标信号明显减弱,而这两个信标与设备A的距离大致相同。设备B不在任何信标的LOS范围内,因此,所有信号都明显减弱,而设备C处于开放式办公室中多个信标的LOS范围内。所以信号强度更强,因为衰减更少。
 
解决这个问题的变通方案就是使用一种叫做“指纹识别”的方法。先利用安装在几米远固定位置的信标测量已知位置其他信标的信号强度。将这些信号强度信息保存在指纹识别数据库中。然后,信标通过比较其信号强度与指纹识别数据库中的数据,就可以确定设备的距离和位置。根据最接近的匹配即可获得位置测量结果。
 
指纹识别有许多版本,它们使用各种各样复杂的算法。请记住,这些系统只是变通方案。它们并不能以UWB等技术的精度真正解决距离测量问题。
 
使用Wi-Fi 的定位跟踪
 
Wi-Fi是室内定位应用最常用的无线电信号。它仍然是使用最广泛的室内定位技术,并且经常与BLE结合使用。Wi-Fi的主要优势在于,大多数公共或私人场所都提Wi-Fi。
 
然而,使用Wi-Fi信号强度估算距离会面临与蓝牙相同的挑战。一些公司已经开发出替代算法,试图使用Wi-Fi信号的飞行时间 (ToF) 或到达时间 (ToA) 来更精确地测量距离,但这无法直接使用标准的Wi-Fi硬件实现。
 
ToF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。ToA是无线电信号从发射机到达远程接收机的时间点。
 
通过在网络中添加更多信标,可以在一定程度上提高RSSI指纹识别的准确性。尽管精度可能会提高一点,但却无法提高测量的整体可靠性。此外,如果平面图有任何变化,指纹识别数据库也需要更新,这可能既耗费成本又耗时。
 
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4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,因此在存在日常环境中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。
 
窄带信号与脉冲超宽带
图4:窄带信号与脉冲超宽带直达径信号(蓝色)和反射径信号(红色)的比较。
 
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4(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5所示,窄带信号受到噪声的影响比较明显。
 
噪声如何影响窄带信号
图5:噪声如何影响窄带信号
 
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6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。
 
具有反射的窄带信号
图6:具有反射的窄带信号
 
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:
 
a.超精准,提供厘米级精度,比BLE和Wi-Fi精确100倍;
b.超可靠,在存在多径反射的情况下能够保持信号完整性;
c.实时,延迟比全球定位系统 (GPS) 低50倍,比标准信标低3,000倍。
 
限于篇幅,更多关于不同的应用或用例场景选择最佳的UWB系统架构等内容,将在《UWB背景信息介绍(下)》继续探讨,敬请关注~
 
文章转载自Qorvo半导体微信公众号

 

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