UWB技术还没有完全普及,却在慢慢兴起,一旦爆发,势不可挡也。
01-什么是UWB?
UWB(Ultra Wide Band)是一种无载波通信技术,UWB不使用载波,而是使用短的能量脉冲序列,并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。
美国联邦通信委员会(FCC)规定,UWB信号的相对宽度(即信号带宽与中心频率之比)不小于0.2或者绝对带宽不小于500MHz,并且适用指定的3.1~10.6GHz频段的信号。
02-UWB的信号传输原理
不需要产生连续的高频载波,仅仅需要产生一个时间短至nS级以下的脉冲,便可通过天线进行发送。需要传送信息可通过改变脉冲的幅度、时间、相位进行加载,进而实现信息传输。
下图是使用相位调制方式传输二进制归零码的IR-UWB信号产生示意图:
03-UWB的定位原理
主要分 TOF定位、TDOA定位、AoA定位。
TOF(Time of flight:飞行时间法):
TOF定位是基于测距的方式,标签和每个需要定位的基站发起测距,测距完成后进行位置计算。
ToF为飞行时间测距法,通过测量脉冲信号从出发到返回的时间,乘以传播速度(脉冲信号在空气中的传播速度为定值v=30万KM/秒),得到往返一次的距离,除以2即为UWB定位标签到定位基站间的距离。
UWB定位基站的坐标已知,测得标签到基站距离后,通过三点定位法画
3个圆,交点即为UWB定位标签的位置。
TDoA:(Time Difference of Arrival:到达时间差)
TDoA定位是一种利用时间差进行计算的方法。精准的绝对时间相对较难测量,通过比较信号到达各个UWB定位基站的时间差,计算出信号到各个定位基站的距离差,就能作出以定位基站为焦点,距离差为长轴的双曲线,三组双曲线的交点就是定位标签的位置。
Master(主)基站发送sync(同步)报文,Slaver(从)基站接收并做同步处理。
Tag(标签)发送poll报文,基站接收并记录时间戳。
AP1:记录的poll到达时间为T1;
AP2:记录的poll到达时间为T2;
AP3:记录的poll到达时间为T3;
由于AP1、AP2、AP3时间是同步的,所以
DT1=T1-T2,AP1与AP3之间的时间差DR1=C*(T1-T2),画双曲线1;
DT2=T1-T3,AP1与AP2之间的时间差DR1=C*(T1-T3),画双曲线2;
双曲线的交点即为tag的位置。
AOA(Angle of arrival:到达角技术)
AoA 定位一般是基于相位差的方式计算出到达角度,一般不单独使用,由于AoA 涉及到角度分辨率的问题,若单纯AoA 定位,若离基站越远,定位精度就越差。
AoA 可以配合ToF测距时下定位,此模式下,单基站就可以完成定位。
也可以两个基站通过AoA 实现定位。