圖文詳解：UWB技術(shù)的工作原理
[導(dǎo)讀]超寬帶技術(shù)（UWB）是最佳定位跟蹤技術(shù)，因為UWB的設(shè)計初衷就是實現(xiàn)高精度測距估計，同時進行雙向通信。所以，UWB是當(dāng)今最好、最先進的定位技術(shù)。今天，就帶大家深入地了解一下UWB技術(shù)的工作原理。1、為什么說UWB最適合室內(nèi)定位跟蹤？UWB的固有特性意味著，它可以實現(xiàn)比其他技術(shù)更精...
超寬帶技術(shù)（UWB）是最佳定位跟蹤技術(shù)，因為UWB的設(shè)計初衷就是實現(xiàn)高精度測距估計，同時進行雙向通信。所以，UWB是當(dāng)今最好、最先進的定位技術(shù)。今天，就帶大家深入地了解一下UWB技術(shù)的工作原理。
1、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，因此在日常環(huán)境中，在常見的信號反射和多路徑效應(yīng)的情況下，仍能精確測定到達時間和距離。
將UWB作為解決方案時，反射信號（灰色）不會影響直接信號（藍色）。IR-UWB 信號（中間和右側(cè)）的上升和下降時間（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時間。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脈沖的到達時間幾乎未受影響。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的方法進行了試驗。如圖3所示，窄帶信號對多路徑非常敏感，因為反射信號（深灰色）可與直達經(jīng)信號（淺灰色）進行具有破壞性的結(jié)合，從而在接收機端生成最終信號（藍色）。這會影響信號超越閾值（用于測量ToA）的時間，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，藍牙、Wi-Fi，以及其他窄帶無線電標(biāo)準(zhǔn)只能實現(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。
2、UWB拓撲結(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無線電收發(fā)器之間距離的方法?；谶@個基本原理，可根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的需求以不同的方式實現(xiàn)UWB定位技術(shù)。
最佳拓撲結(jié)構(gòu)主要由應(yīng)用決定。這也就是說，設(shè)計工程師首先要將應(yīng)用和拓撲結(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，然后將該時間乘以光速來計算標(biāo)簽與錨點之間的距離。汽車無鑰門禁系統(tǒng)就是使用TWR方法的一個應(yīng)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(yīng)用的時候，這個氣泡保持高精度的安全控制。
如果您在兩個設(shè)備之間實施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，您還可以在移動標(biāo)簽和固定錨點之間實現(xiàn)2D甚至3D位置測量，這種稱為“三邊測量法”。
采用TWR方法，可交換三條消息。標(biāo)簽通過發(fā)送一條含已知錨點地址的輪詢消息啟動TWR。錨點記錄輪詢接收時間，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）實現(xiàn)，通過這些方法將數(shù)據(jù)傳輸至云。
- 到達時間差（TDoA）和反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(xiàn)了緊密同步。如果為TDoA，移動設(shè)備將閃爍（也就是定期發(fā)送信息），當(dāng)錨點接收到信標(biāo)信號時，將基于共同的同步時基標(biāo)記時間戳。然后，多個錨點的時間戳將轉(zhuǎn)發(fā)至中央定位引擎，中央定位引擎將根據(jù)每個錨點的信標(biāo)信號 TDoA運行多點定位算法。最后將得到移動設(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），移動設(shè)備利用TDoA和多點定位算法來計算其位置，如圖2-13所示。
- 到達相位差（PDoA）：另一個UWB拓撲就是PDoA。PDoA可將兩個設(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)施的情況下計算出兩個設(shè)備的相對位置。為此，其中一個設(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(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。
對于每種拓撲結(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（點對點）應(yīng)用。
圖4詳細介紹了TWR、TDoA、反向TDoA和PDoA拓撲結(jié)構(gòu)的最佳應(yīng)用。
圖4
END
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本文來源：物聯(lián)傳媒本文作者：銀匠UWB技術(shù)很好，但是UWB產(chǎn)品很貴。這是業(yè)界人士對于UWB技術(shù)的一個初步印象。作為一項最近兩年大火的定位技術(shù)，UWB被“鎂光燈”聚焦乃至放大，它的優(yōu)點會被更多人的記住，同樣，它的缺點也一樣...
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