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          『這個知識不太冷』如何為你的應用選擇UWB的拓撲結構?

          發布時間:2024-04-22 來源:Qorvo半導體 責任編輯:lina

          【導讀】『這個知識不太冷』系列,旨在幫助小伙伴們喚醒知識的記憶,將挑選一部分Qorvo劃重點的知識點,結合產業現狀解讀,以此溫故知新、查漏補缺。本篇將繼續探討UWB的。


          『這個知識不太冷』系列,旨在幫助小伙伴們喚醒知識的記憶,將挑選一部分Qorvo劃重點的知識點,結合產業現狀解讀,以此溫故知新、查漏補缺。本篇將繼續探討UWB的。


          UWB系統考慮因素回顧

          在本節中,我們來簡要介紹一下UWB的系統組件,以及硬件和軟件選擇如何影響系統的性能。

          錨點和標簽


          要了解UWB系統,您需要理解錨點和標簽這兩個術語。錨點通常就是固定的UWB設備。標簽通常是指移動的UWB設備。錨點和標簽可交換信息,以便確定兩者之間的距離。標簽的確切位置可通過與多個錨點通信來確定。


          一些設備即可作為錨點,也可作為標簽。例如,當兩個移動手機使用UWB來計算相互之間的距離時,它們可以在計算過程中轉化角色,交替地用作標簽和錨點。


          存儲單元和處理能力


          典型的UWB設備需要具備一定程度處理能力和特定功能。對于簡單的標簽,要求處理器具有少量的閃存(可編程非易失性存儲器)和數據存儲器(易失性隨機存取存儲器,或RAM)。對于錨點應用,比如到達時間差(TDoA)中使用的錨點,可能需要具有更多閃存和RAM的處理器,在許多情況下還需要數據回傳。


          圖1顯示了標簽(具有運動檢測)或錨點(具有回傳接口,如以太網或Wi-Fi接口)的常見架構。對于錨點,可能需要不同類型的處理器,具體取決于系統規模和工作負載/吞吐量需求。


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          天線


          另一個系統考慮因素就是天線。不同的應用會需要不同的天線。例如,標簽通常使用小型全向性天線。錨點則可能要使用定向天線,具體取決于拓撲結構。

          軟件棧


          UWB通信組件和應用之間的重要互連就是UWB軟件棧,如圖2所示。軟件棧有助于協調與外部設備的互操作性和共存。此外,軟件可實現UWB通信組件和內部微控制器之間的通信。例如,在控制智能手機和汽車之間的連接時,軟件負責協調通信。

          軟件還可以同時管理多個應用和用例。例如,某個解決方案可能是控制揚聲器、照明裝置、加熱系統等智能家居生態系統的組成部分。它可以與所有UWB標簽和UWB支持設備通信,同時利用位置信息控制環境、鎖門和開門、啟用和禁用報警系統等。UWB軟件??赏瑫r處理所有這些不同的情況。


          『這個知識不太冷』如何為你的應用選擇UWB的拓撲結構?


          使用UWB軟件??纱_保UWB通信組件滿足不同應用的需求。此外,從最終用戶和整體系統設計角度來說,利用該軟件的許多功能可以讓事情變得更簡單。


          功能優先級排序


          在一些應用場景下,不同功能需要進行優先級排序。例如,假設在某個應用中,電源管理和電池使用壽命很重要,比位置更新速率或數據吞吐量更重要。在這種情況下,可使用軟件優化功耗,將設備設置為不用時關閉,需要通信時開啟。


          另一種情況就是,傳感器LOS信號不理想或是來自不同的方向。此時,可使用軟件將結果平均,以獲得精確的距離信息;軟件還可以平滑處理比其他信號更嘈雜的信號。為了獲得更精確的結果(尤其是在快速移動應用中),或為了添加有關設備方向的信息,軟件還可以將來自UWB芯片組的數據與來自慣性測量裝置(包括加速計、陀螺儀和磁力計等)的數據整合在一起。


          UWB拓撲結構比較和選擇


          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無線電收發器之間距離的方法?;谶@個基本原理,可根據目標應用的需求以不同的方式實現UWB定位技術。


          最佳拓撲結構主要由應用決定。這也就是說,設計工程師首先要將應用和拓撲結構匹配??晒┻x擇的方法有:


          雙向測距(TWR):如圖3所示,TWR方法可通過測定UWB射頻信號的ToF,然后將該時間乘以光速來計算標簽與錨點之間的距離。汽車無鑰門禁系統就是使用TWR方法的一個應用示例TWR可生成一個安全空間,類似于一個安全氣泡,同時確保在應用的時候,這個氣泡保持高精度的安全控制。



          『這個知識不太冷』如何為你的應用選擇UWB的拓撲結構?


          如果您在兩個設備之間實施TWR方案,則可以獲得設備之間的距離信息。在TWR方案的基礎上,您還可以在移動標簽和固定錨點之間實現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。標簽通過發送一條含已知錨點地址的輪詢消息啟動TWR。錨點記錄輪詢接收時間,并回復響應消息。在收到響應消息后,標簽記錄時間并編寫最后一條消息。錨點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4和圖5所示的2D/3D資產場景。圖4顯示使用監聽器的雙向測距,而圖5顯示使用數據標簽回程的TWR。如圖5所示,數據回傳可以使用多種方法(如Wi-Fi、NB-IoT、LTE-M等)實現,通過這些方法將數據傳輸至云。


          『這個知識不太冷』如何為你的應用選擇UWB的拓撲結構?

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          到達時間差(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參考點,稱為“錨點”,且這些錨點在時間方面實現了緊密同步。如果為TDoA,移動設備將閃爍(也就是定期發送信息),當錨點接收到信標信號時,將基于共同的同步時基標記時間戳。然后,多個錨點的時間戳將轉發至中央定位引擎,中央定位引擎將根據每個錨點的信標信號TDoA運行多點定位算法。最后將得到移動設備的2D或3D位置,如圖6所示。


          反向TDoA更像GPS。在該系統中,錨點發送同步信標(具有固定/已知偏移,以避免發生碰撞),移動設備利用TDoA和多點定位算法來計算其位置,如圖7所示。


          『這個知識不太冷』如何為你的應用選擇UWB的拓撲結構?

          『這個知識不太冷』如何為你的應用選擇UWB的拓撲結構?


          到達相位差(PDoA):另一個UWB拓撲就是PDoA。PDoA可將兩個設備之間的距離與兩者之間的方位測量結合在一起,如圖8所示。利用距離和方位的組合信息,可在沒有任何其他基礎設施的情況下計算出兩個設備的相對位置。為此,其中一個設備必須配備至少2根天線,并且能夠測量每根天線處到達信號載波的相位差。相位完全不受天線變形的影響,并且可實現優于10°的測量精度,從而可以在不到5°的情況下確定發射器的方位。

          『這個知識不太冷』如何為你的應用選擇UWB的拓撲結構?


          對于每種拓撲結構,分別最適合哪種應用?這些用例主要側重于三個不同的領域:感應式門禁、定位服務和設備對設備(點對點)應用。圖9詳細介紹了TWR、TDoA、反向TDoA和PDoA拓撲結構的最佳應用。


          『這個知識不太冷』如何為你的應用選擇UWB的拓撲結構?

          文章來源:Qorvo半導體


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