【導讀】『這個(gè)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(diǎn)的知識點(diǎn)，結合產(chǎn)業(yè)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(gè)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(diǎn)的知識點(diǎn)，結合產(chǎn)業(yè)現狀解讀，以此溫故知新、查漏補缺。本篇將繼續探討UWB的。
錨點(diǎn)和標簽
要了解UWB系統，您需要理解錨點(diǎn)和標簽這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。錨點(diǎn)通常就是固定的UWB設備。標簽通常是指移動(dòng)的UWB設備。錨點(diǎn)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(guò)與多個(gè)錨點(diǎn)通信來(lái)確定。
一些設備即可作為錨點(diǎn)，也可作為標簽。例如，當兩個(gè)移動(dòng)手機使用UWB來(lái)計算相互之間的距離時(shí)，它們可以在計算過(guò)程中轉化角色，交替地用作標簽和錨點(diǎn)。
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(jiǎn)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(diǎn)應用，比如到達時(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據回傳。
圖1顯示了標簽（具有運動(dòng)檢測）或錨點(diǎn)（具有回傳接口，如以太網(wǎng)或Wi-Fi接口）的常見(jiàn)架構。對于錨點(diǎn)，可能需要不同類(lèi)型的處理器，具體取決于系統規模和工作負載/吞吐量需求。
天線(xiàn)
另一個(gè)系統考慮因素就是天線(xiàn)。不同的應用會(huì )需要不同的天線(xiàn)。例如，標簽通常使用小型全向性天線(xiàn)。錨點(diǎn)則可能要使用定向天線(xiàn)，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(xié)調與外部設備的互操作性和共存。此外，軟件可實(shí)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(chē)之間的連接時(shí)，軟件負責協(xié)調通信。
軟件還可以同時(shí)管理多個(gè)應用和用例。例如，某個(gè)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(tài)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(shí)利用位置信息控制環(huán)境、鎖門(mén)和開(kāi)門(mén)、啟用和禁用報警系統等。UWB軟件?？赏瑫r(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(mǎn)足不同應用的需求。此外，從最終用戶(hù)和整體系統設計角度來(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)先級排序
在一些應用場(chǎng)景下，不同功能需要進(jìn)行優(yōu)先級排序。例如，假設在某個(gè)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(yōu)化功耗，將設備設置為不用時(shí)關(guān)閉，需要通信時(shí)開(kāi)啟。
另一種情況就是，傳感器LOS信號不理想或是來(lái)自不同的方向。此時(shí)，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(dòng)應用中），或為了添加有關(guān)設備方向的信息，軟件還可以將來(lái)自UWB芯片組的數據與來(lái)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(guò)將信號的ToF乘以光速來(lái)測量?jì)蓚€(gè)無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器之間距離的方法?；谶@個(gè)基本原理，可根據目標應用的需求以不同的方式實(shí)現UWB定位技術(shù)。
最佳拓撲結構主要由應用決定。這也就是說(shuō)，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(guò)測定UWB射頻信號的ToF，然后將該時(shí)間乘以光速來(lái)計算標簽與錨點(diǎn)之間的距離。汽車(chē)無(wú)鑰門(mén)禁系統就是使用TWR方法的一個(gè)應用示例TWR可生成一個(gè)安全空間，類(lèi)似于一個(gè)安全氣泡，同時(shí)確保在應用的時(shí)候，這個(gè)氣泡保持高精度的安全控制。
如果您在兩個(gè)設備之間實(shí)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(dòng)標簽和固定錨點(diǎn)之間實(shí)現2D甚至3D位置測量；稱(chēng)為“三邊測量法”。
采用TWR方法，可交換三條消息。標簽通過(guò)發(fā)送一條含已知錨點(diǎn)地址的輪詢(xún)消息啟動(dòng)TWR。錨點(diǎn)記錄輪詢(xún)接收時(shí)間，并回復響應消息。在收到響應消息后，標簽記錄時(shí)間并編寫(xiě)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4和圖5所示的2D/3D資產(chǎn)場(chǎng)景。圖4顯示使用監聽(tīng)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(shí)現，通過(guò)這些方法將數據傳輸至云。
到達時(shí)間差(TDoA)和反向TDoA：TDoA和反向TDoA方法類(lèi)似于GPS。在已知的固定場(chǎng)所部署了多個(gè)參考點(diǎn)，稱(chēng)為“錨點(diǎn)”，且這些錨點(diǎn)在時(shí)間方面實(shí)現了緊密同步。如果為T(mén)DoA，移動(dòng)設備將閃爍（也就是定期發(fā)送信息），當錨點(diǎn)接收到信標信號時(shí)，將基于共同的同步時(shí)基標記時(shí)間戳。然后，多個(gè)錨點(diǎn)的時(shí)間戳將轉發(fā)至中央定位引擎，中央定位引擎將根據每個(gè)錨點(diǎn)的信標信號TDoA運行多點(diǎn)定位算法。最后將得到移動(dòng)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(diǎn)發(fā)送同步信標（具有固定/已知偏移，以避免發(fā)生碰撞），移動(dòng)設備利用TDoA和多點(diǎn)定位算法來(lái)計算其位置，如圖7所示。
到達相位差(PDoA)：另一個(gè)UWB拓撲就是PDoA。PDoA可將兩個(gè)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(méi)有任何其他基礎設施的情況下計算出兩個(gè)設備的相對位置。為此，其中一個(gè)設備必須配備至少2根天線(xiàn)，并且能夠測量每根天線(xiàn)處到達信號載波的相位差。相位完全不受天線(xiàn)變形的影響，并且可實(shí)現優(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。
對于每種拓撲結構，分別最適合哪種應用？這些用例主要側重于三個(gè)不同的領(lǐng)域：感應式門(mén)禁、定位服務(wù)和設備對設備（點(diǎn)對點(diǎn)）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。
文章來(lái)源：Qorvo半導體
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