10張圖了解UWB技術(shù)的工作原理

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文章來源：網(wǎng)絡(luò)

超寬帶技術(shù) (UWB) 是最佳定位跟蹤技術(shù)，因?yàn)槌瑢拵Ъ夹g(shù) (UWB) 的設(shè)計(jì)的初衷就是實(shí)現(xiàn)高精度測距估計(jì)，同時(shí)進(jìn)行雙向通信。所以 UWB 是當(dāng)今最好、最先進(jìn)的定位技術(shù)。今天就帶大家深入的了解一下UWB技術(shù)的工作原理吧。

為什么說 UWB 最適合室內(nèi)定位跟蹤？

UWB 的固有特性意味著，它可以實(shí)現(xiàn)比其他技術(shù)更精確的室內(nèi)定位和距離測量。

如圖1所示，UWB 脈沖（中間和右側(cè)圖）只有 2 納秒 (ns) 寬，因此不受反射信號（多路徑）干擾和噪聲的影響。UWB 射頻 (RF) 脈沖邊緣清晰，因此在存在日常環(huán)境中常見的信號反射和多路徑效應(yīng)的情況下仍能精確測定到達(dá)時(shí)間和距離。

圖1

將 UWB 作為解決方案時(shí)，反射信號（灰色）不會影響直接信號（藍(lán)色）。IR-UWB 信號（中間和右側(cè)）的上升和下降時(shí)間（邊沿）比標(biāo)準(zhǔn)窄帶信號（左側(cè)）更短，因此可以精確地測量信號的到達(dá)時(shí)間。這也有助于 UWB 信號在存在噪聲和多徑效應(yīng)的情況下保持其完整性和結(jié)構(gòu)。

即使在噪聲條件下，如圖1（右側(cè)）所示，2ns 寬的脈沖無線電 UWB 脈沖的到達(dá)時(shí)間幾乎未受影響。相比之下，如圖 2 所示，窄帶信號受到噪聲的影響比較明顯。

圖2

我們已使用窄帶無線電技術(shù)對基于 ToF 的方法進(jìn)行了試驗(yàn)。如圖 3所示，窄帶信號對多路徑非常敏感，因?yàn)榉瓷湫盘枺ㄉ罨疑┛膳c直達(dá)經(jīng)信號（淺灰色）進(jìn)行具有破壞性的結(jié)合，從而在接收機(jī)端生成最終信號（藍(lán)色）。這會影響信號超越閾值（用于測量 ToA）的時(shí)間，從而降低精度。

圖3

UWB 的精度優(yōu)勢非常明顯。UWB 完全能夠以 5 至 10 厘米的精度測量距離和位置。相比之下，藍(lán)牙、Wi-Fi 以及其他窄帶無線電標(biāo)準(zhǔn)只能實(shí)現(xiàn)米級精度。此外，由于 UWB 無線電脈沖極短，多徑效應(yīng)下，直達(dá)徑信號不會與多徑信號重疊，因此不會損壞信號完整性和強(qiáng)度。

這表明，UWB 具有以下特性：

• 超精準(zhǔn)，提供厘米級精度，比 BLE 和 Wi-Fi 精確 100 倍

• 超可靠，在存在多徑反射的情況下能夠保持信號完整性

UWB 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較和選擇

UWB 利用 ToF 的概念，這是一種通過將信號的 ToF 乘以光速來測量兩個(gè)無線電收發(fā)器之間距離的方法?；谶@個(gè)基本原理，可根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的需求以不同的方式實(shí)現(xiàn) UWB 定位技術(shù)。

最佳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由應(yīng)用決定。這也就是說，設(shè)計(jì)工程師首先要將應(yīng)用和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)匹配?？晒┻x擇的方法有：?

• 雙向測距?(TWR)：如圖 2-9 所示，TWR 方法可通過測定 UWB 射頻信號的 ToF，然后將該時(shí)間乘以光速來計(jì)算標(biāo)簽與錨點(diǎn)之間的距離。汽車無鑰門禁系統(tǒng)就是使用 TWR 方法的一個(gè)應(yīng)用示例 TWR 可生成一個(gè)安全空間，類似于一個(gè)安全氣泡，同時(shí)確保在應(yīng)用的時(shí)候，這個(gè)氣泡保持高精度的安全控制。

  
  

如果您在兩個(gè)設(shè)備之間實(shí)施 TWR 方案，則可以獲得設(shè)備之間的距離信息。在 TWR 方案的基礎(chǔ)上，您還可以在移動(dòng)標(biāo)簽和固定錨點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn) 2D 甚至 3D 位置測量；稱為“三邊測量法”。?

采用 TWR 方法，可交換三條消息。標(biāo)簽通過發(fā)送一條含已知錨點(diǎn)地址的輪詢消息啟動(dòng) TWR。錨點(diǎn)記錄輪詢接收時(shí)間，并回復(fù)響應(yīng)消息。在收到響應(yīng)消息后，標(biāo)簽記錄時(shí)間并編寫最后一條消息。錨點(diǎn)可利用最后一條消息中的信息確定 UWB 信號的 ToF。?

TWR 方法也可用于圖 2-10 和圖 2-11 所示的 2D/3D 資產(chǎn)場景。圖 2-10 顯示使用監(jiān)聽器的雙向測距，而圖 2-11 顯示使用數(shù)據(jù)標(biāo)簽回程的 TWR。如圖 2-11 所示，數(shù)據(jù)回傳可以使用多種方法（如 Wi-Fi、NB-IoT、LTE-M 等）實(shí)現(xiàn)，通過這些方法將數(shù)據(jù)傳輸至云。

• 到達(dá)時(shí)間差?(TDoA)?和反向 TDoA：TDoA 和反向 TDoA 方法類似于 GPS。在已知的固定場所部署了多個(gè)參考點(diǎn)，稱為“錨點(diǎn)”，且這些錨點(diǎn)在時(shí)間方面實(shí)現(xiàn)了緊密同步。如果為 TDoA，移動(dòng)設(shè)備將閃爍（也就是定期發(fā)送信息），當(dāng)錨點(diǎn)接收到信標(biāo)信號時(shí)，將基于共同的同步時(shí)基標(biāo)記時(shí)間戳。然后，多個(gè)錨點(diǎn)的時(shí)間戳將轉(zhuǎn)發(fā)至中央定位引擎，中央定位引擎將根據(jù)每個(gè)錨點(diǎn)的信標(biāo)信號 TDoA 運(yùn)行多點(diǎn)定位算法。最后將得到移動(dòng)設(shè)備的 2D 或 3D 位置，如圖 2-12 所示。反向 TDoA 更像 GPS。在該系統(tǒng)中，錨點(diǎn)發(fā)送同步信標(biāo)（具有固定/已知偏移，以避免發(fā)生碰撞），移動(dòng)設(shè)備利用 TDoA 和多點(diǎn)定位算法來計(jì)算其位置，如圖 2-13 所示。

• 到達(dá)相位差?(PDoA)：另一個(gè) UWB 拓?fù)渚褪?PDoA。PDoA 可將兩個(gè)設(shè)備之間的距離與兩者之間的方位測量結(jié)合在一起，如圖 2-14 所示。利用距離和方位的組合信息，可在沒有任何其他基礎(chǔ)設(shè)施的情況下計(jì)算出兩個(gè)設(shè)備的相對位置。為此，其中一個(gè)設(shè)備必須配備至少 2 根天線，并且能夠測量每根天線處到達(dá)信號載波的相位差。相位完全不受天線變形的影響，并且可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于 10°的測量精度，從而可以在不到 5°的情況下確定發(fā)射器的方位。

對于每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別最適合哪種應(yīng)用？這些用例主要側(cè)重于三個(gè)不同的領(lǐng)域：感應(yīng)式門禁、定位服務(wù)和設(shè)備對設(shè)備（點(diǎn)對點(diǎn)）應(yīng)用。圖4 詳細(xì)介紹了 TWR、TDoA、反向 TDoA 和 PDoA 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的最佳應(yīng)用。

圖4

來源：網(wǎng)絡(luò)

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