【導(dǎo)讀】『這個(gè)知識(shí)不太冷』系列,旨在幫助小伙伴們喚醒知識(shí)的記憶,將挑選一部分Qorvo劃重點(diǎn)的知識(shí)點(diǎn),結(jié)合產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀解讀,以此溫故知新、查漏補(bǔ)缺。本篇將繼續(xù)探討UWB的。
『這個(gè)知識(shí)不太冷』系列,旨在幫助小伙伴們喚醒知識(shí)的記憶,將挑選一部分Qorvo劃重點(diǎn)的知識(shí)點(diǎn),結(jié)合產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀解讀,以此溫故知新、查漏補(bǔ)缺。本篇將繼續(xù)探討UWB的。
錨點(diǎn)和標(biāo)簽
要了解UWB系統(tǒng),您需要理解錨點(diǎn)和標(biāo)簽這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。錨點(diǎn)通常就是固定的UWB設(shè)備。標(biāo)簽通常是指移動(dòng)的UWB設(shè)備。錨點(diǎn)和標(biāo)簽可交換信息,以便確定兩者之間的距離。標(biāo)簽的確切位置可通過(guò)與多個(gè)錨點(diǎn)通信來(lái)確定。
一些設(shè)備即可作為錨點(diǎn),也可作為標(biāo)簽。例如,當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)手機(jī)使用UWB來(lái)計(jì)算相互之間的距離時(shí),它們可以在計(jì)算過(guò)程中轉(zhuǎn)化角色,交替地用作標(biāo)簽和錨點(diǎn)。
存儲(chǔ)單元和處理能力
典型的UWB設(shè)備需要具備一定程度處理能力和特定功能。對(duì)于簡(jiǎn)單的標(biāo)簽,要求處理器具有少量的閃存(可編程非易失性存儲(chǔ)器)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(易失性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器,或RAM)。對(duì)于錨點(diǎn)應(yīng)用,比如到達(dá)時(shí)間差(TDoA)中使用的錨點(diǎn),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(shù)據(jù)回傳。
圖1顯示了標(biāo)簽(具有運(yùn)動(dòng)檢測(cè))或錨點(diǎn)(具有回傳接口,如以太網(wǎng)或Wi-Fi接口)的常見架構(gòu)。對(duì)于錨點(diǎn),可能需要不同類型的處理器,具體取決于系統(tǒng)規(guī)模和工作負(fù)載/吞吐量需求。
天線
另一個(gè)系統(tǒng)考慮因素就是天線。不同的應(yīng)用會(huì)需要不同的天線。例如,標(biāo)簽通常使用小型全向性天線。錨點(diǎn)則可能要使用定向天線,具體取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
軟件棧
UWB通信組件和應(yīng)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(xié)調(diào)與外部設(shè)備的互操作性和共存。此外,軟件可實(shí)現(xiàn)UWB通信組件和內(nèi)部微控制器之間的通信。例如,在控制智能手機(jī)和汽車之間的連接時(shí),軟件負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)通信。
軟件還可以同時(shí)管理多個(gè)應(yīng)用和用例。例如,某個(gè)解決方案可能是控制揚(yáng)聲器、照明裝置、加熱系統(tǒng)等智能家居生態(tài)系統(tǒng)的組成部分。它可以與所有UWB標(biāo)簽和UWB支持設(shè)備通信,同時(shí)利用位置信息控制環(huán)境、鎖門和開門、啟用和禁用報(bào)警系統(tǒng)等。UWB軟件棧可同時(shí)處理所有這些不同的情況。
使用UWB軟件??纱_保UWB通信組件滿足不同應(yīng)用的需求。此外,從最終用戶和整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō),利用該軟件的許多功能可以讓事情變得更簡(jiǎn)單。
功能優(yōu)先級(jí)排序
在一些應(yīng)用場(chǎng)景下,不同功能需要進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。例如,假設(shè)在某個(gè)應(yīng)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(shù)據(jù)吞吐量更重要。在這種情況下,可使用軟件優(yōu)化功耗,將設(shè)備設(shè)置為不用時(shí)關(guān)閉,需要通信時(shí)開啟。
另一種情況就是,傳感器LOS信號(hào)不理想或是來(lái)自不同的方向。此時(shí),可使用軟件將結(jié)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(hào)更嘈雜的信號(hào)。為了獲得更精確的結(jié)果(尤其是在快速移動(dòng)應(yīng)用中),或?yàn)榱颂砑佑嘘P(guān)設(shè)備方向的信息,軟件還可以將來(lái)自UWB芯片組的數(shù)據(jù)與來(lái)自慣性測(cè)量裝置(包括加速計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)等)的數(shù)據(jù)整合在一起。
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(guò)將信號(hào)的ToF乘以光速來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)無(wú)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(shuō),設(shè)計(jì)工程師首先要將應(yīng)用和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)匹配。可供選擇的方法有:
雙向測(cè)距(TWR):如圖3所示,TWR方法可通過(guò)測(cè)定UWB射頻信號(hào)的ToF,然后將該時(shí)間乘以光速來(lái)計(jì)算標(biāo)簽與錨點(diǎn)之間的距離。汽車無(wú)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(cè)量;稱為“三邊測(cè)量法”。
采用TWR方法,可交換三條消息。標(biāo)簽通過(guò)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(hào)的ToF。
TWR方法也可用于圖4和圖5所示的2D/3D資產(chǎn)場(chǎng)景。圖4顯示使用監(jiān)聽器的雙向測(cè)距,而圖5顯示使用數(shù)據(jù)標(biāo)簽回程的TWR。如圖5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(guò)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(chǎng)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(hào)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(hào)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6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(lái)計(jì)算其位置,如圖7所示。
到達(dá)相位差(PDoA):另一個(gè)UWB拓?fù)渚褪荘DoA。PDoA可將兩個(gè)設(shè)備之間的距離與兩者之間的方位測(cè)量結(jié)合在一起,如圖8所示。利用距離和方位的組合信息,可在沒(méi)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(duì)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(cè)量每根天線處到達(dá)信號(hào)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(cè)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(duì)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(duì)設(shè)備(點(diǎn)對(duì)點(diǎn))應(yīng)用。圖9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。
文章來(lái)源:Qorvo半導(dǎo)體
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