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UWB 实现安全测距和精度——技术介绍及其工作原理 [复制链接]

三部分组成的关于超宽带 (UWB) 技术和测试挑战。文章中了解 UWB 的基础知识及其工作原理、UWB 最适合哪些应用、 UWB 提供了哪些测试解决方案。

UWB 可实现安全测距和精确度,并作为将被纳入下一代智能手机和其他设备的最新技术之一在业界引起轰动,但实际上,该技术并不新鲜。

超宽带实际上是最古老的无线技术之一。事实上,马可尼在 1901 年使用 UWB 通过使用火花隙无线电发射器的 UWB 信号跨大西洋传输摩尔斯电码。这将被归类为非常低速的数据传输,但从技术上讲,它使用的是 UWB 信号。然后在 1960 年代,UWB 被用于军用雷达,并且是当今雷达在探测距离和方向方面工作的重要组成部分。

2002 年,FCC 批准 UWB 用于消费/商业应用。IEEE 将 802.15.3 标准化为 802.15.4,这就是我们今天谈论 UWB 时通常所指的内容。在 2000 年代初期,有一个名为 Wi-Media Alliance 的联盟将 UWB 称为高速数据传输技术,实际上是有线 USB 的无线替代品。该联盟认为其标准可以提供与 USB 线相同的高速、短距离技术。话虽如此,联盟也是在 Wi-Fi 竞争相同的确切应用时这样做的。

Wi-Fi 赢得了这场战斗,而 UWB 则被搁置一旁——直到现在。

UWB 于 2019 年回归,更新为 802.15.4z IEEE 标准,更名为用于精确测距和定位的技术。当我们今天想到 UWB 时,我们谈论的不再是高速数据通信,而是位置跟踪、距离和测向。

这个怎么运作

UWB 为想要做坏事的不良行为者提供了更好的安全性。这是因为 UWB 用于以非常安全的方式基于位置对用户进行身份验证。如果您查看当今可用的其他一些技术,例如,蓝牙®使用信号强度 (RSSI) 来确定范围。这种信号强度很容易被拦截和破解。然而,UWB 使用所谓的飞行时间 (ToF) 来确定位置,增加了新的安全层。“伪造”时间非常困难,而且 UWB 的宽频带宽对干扰具有极强的免疫力。

测量距离

那么UWB实际上是如何用于测距的呢?第一个要求是使用 ToF 测量距离。这需要一个“标签”设备和一个“锚”设备。标签发出轮询信号,俗称“ping”。然后锚接收到该信号。该锚点中有一个已知的延迟,在该已知延迟之后,它会将该信号发送回作为对标签的响应。这被称为“乒乓球”。

然后锚接收该信号,并根据在该波形中编码的延迟以及它在发送信号和接收信号之间测量的时间,锚可以使用时间乘以光速来计算距离。这被称为使用乒乓方法的单侧双向测距。

此外(并且可选地),标签可以再次将辅助轮询信号发送回锚点,即另一个 ping。这允许测距的双方协调和检查彼此的值。这被称为双面、双向测距或乒乓球。通过双面双向测距,UWB 实际上可以让两个设备相互检查以确保它们测量的距离相同。它更准确一点,也更安全一点。

测量方向

现在系统已经测量了距离,现在需要确定位置。一种方法是在环境中实际拥有多个接收器。从 GPS 类比来看,如果有一个接收器,您就知道该位置位于球体上的某个位置——它位于该接收器接收该信号的半径上的某个位置。

如果环境中有两个接收器,则信号可以缩小到两个球体相交的圆圈。如果环境中存在三个接收器,则可以确定空间中的实际点。然后使用第四个接收器,系统可以到达一个准确的位置。因此,在存在单个预期设备的环境中,如果环境中至少有四个接收器,我们可以知道发射器所在的空间中的确切 3D 位置。

与使用三角测量不同,一种称为到达角 (AoA) 的替代方法更像是雷达天线的工作原理。这里接收器实际上需要有多个天线。在三角测量方法中,接收器可以有单根天线,但在这里,我们实际上要做的是查看接收信号时非常小的相位差,以便它可以通过信号处理确定信号的角度来自(哪里。

计算了飞行时间后,UWB 就知道了距离。计算了到达角后,UWB 就知道了方向。通过将这两者结合起来,UWB 可以通过飞行时间和到达角度确定准确的位置。通过多次执行此操作,UWB 可以确定行进的速度和方向。

此帖出自RF/无线论坛

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