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超宽带 (UWB) 是一种基于 IEEE 802.15.4a 和 802.15.4z 标准的无线电技术,可以非常准确地测量无线电信号的飞行时间,从而实现厘米精度的距离/位置测量。


所谓,IEEE 802.15.4a ,是定义 IR-UWB 物理层的国际标准。该标准旨在提供非常高精度的定位,同时提供高达 27Mbps 的同步双向通信,以收集传感器数据和控制执行器。该标准于 2005 年启动并于 2007 年获得批准,然后于 2011 年完全集成。2018 年,该标准以802.15.4z 的形式重新开放,以进一步增加物理层的安全性,因为现在预计 UWB 将用作汽车和移动行业的安全交易无线技术。


除了这种独特的功能外,UWB 还提供数据通信功能。同时使用极少的功耗——使纽扣电池运行多年而无需充电或更换。通过结合准确的定位和通信。此外,UWB 还提供了一种新的无线安全通信方式,为新形式的安全交易打开了大门。



UWB 的工作原理


UWB 利用飞行时间 (Time of Flight:ToF),这是一种通过将信号的飞行时间乘以光速来测量两个无线电收发器之间距离的方法。从这个基本原理出发,UWB 技术可以根据目标应用需求以不同方式实现,分别是 TWR(Two Way Ranging)、TDoA (Time Difference of Arrival) 或 PDoA(Phase Difference of Arrival )。


其中 TDoA 方法与 GPS 非常相似。多个参考点(称为锚点:anchors)部署在一个场地中并且是时间同步的。移动设备将发出信标,当“锚”接收到信标信号时,它会为其添加时间戳(timestamp)。然后将来自多个锚点的时间戳发送回中央定位引擎,该引擎将根据信标信号的到达时间差运行多点定位算法,以计算移动设备的 X、Y、Z。



采用这种方法的优点之一是低功耗。据统计,采用这种设计的标签的电池寿命可以长达 7 年(CR2032 – 0.1Hz 更新率)。同时,还能布置非常高密度的设备(数以千计)。但这种方法还是有缺点,例如锚点需要时间同步和复杂的部署。


至于 TWR 方法,TWR 方法依赖于两个设备之间的双向通信。在进行通信时,这些设备还会测量它们之间 UWB RF 信号的飞行时间。通过将信号的往返时间乘以光速,然后除以 2,您可以得出两个设备之间的实际距离。如果在两个设备之间应用 TWR 方案,您将获得两个设备之间的距离 (D)。基于 TWR 方案,您还可以通过测量移动标签和固定信标之间的距离来实现 2D 甚至 3D 定位——这称为三角测量。



采用这种方法的有点是不需要系统同步,能够轻松部署,且双向通信使得下行数据和控制成为可能。但和另两种方法一样,TWR 也有缺点,其中一个就是功耗更高。统计显示,根据应用的不同,TWR 方法的设备电池寿命仅为数月至一年。此外,移动设备数量有限(数百个)也是其中一个缺点。


最后,PDoA 的方法将两个设备之间距离的 TWR 方案与两个设备之间方位测量的方案结合。这样的组合允许在没有任何其他基础设施的情况下计算两个设备的相对位置。为此,其中一个设备带有两个天线,能够测量射频信号的到达相位差。



这样的方案的好处是减少基础设备位置方案和两个设备之间的相对定位。但却带来了位置误差不是长寿湖,而是两个设备之间距离的函数。



为什么说 UWB 是首选的定位技术


与蓝牙或 WiFi 等其他技术为新目的而重新设计不同,UWB 射频信号的物理特性从一开始就被明确定义——以实现实时、超准确、超可靠的定位和通信。



在 Decawave(已经被 Qorvo 收购),我们还希望 UWB 技术变得无处不在,我们在 UWB 芯片的定义中增加了低功耗和低成本。Decawave 的联合创始人 Michael McLaughlin更是创建 IEEE 802.15.4a 标准的工程师团队的一员。这个团队的愿景就是让每个连接的对象“位置感知”,因为他们相信“回答位置”将为物联网 (IoT) 等应用程序的成功带来巨大价值。


为了更好地推动 UWB 的应用,包括 Decawave、 Hyundai、Kia、Zebra、Alteros、Novelda 和 Ubisense 在内的多家企业发起了一个全球性的非营利组织 UWB Alliance ,该联盟成立的目的是致力于共同将 UWB 技术建立为开放标准行业。助于促进大规模的 UWB 部署并保护全球数百万已安装的设备免受无线电技术的侵害。该联盟将通过端到端、与供应商无关的互操作性计划推动增长,这些计划将为包括导航、跟踪、安全、成像、传感和通信在内的多个物联网应用和工业 4.0 应用提供准确的定位。



Qorvo 实现与 Apple*U1 芯片的互操作


在今年六月,Qorvo 宣布,公司旗下 DW3000 系列产品支持与 iPhone 和 Apple Watch 型号*中使用的 Apple U1 芯片的互操作,符合 2021 年全球开发人员大会上公布的新的 Nearby Interaction 协议规范草案要求。


利用这种兼容性,开发人员能够根据配备 U1 芯片的 iPhone 或 Apple Watch 的位置、距离和方向来轻松评估新的应用体验。DW3000 是 Qorvo 的下一代超宽带(UWB)芯片组系列,将推出四个型号以及多款模块和 beta 开发套件,并全面投入量产。


Qorvo UWB 硬件和软件解决方案遵循 FiRa 联盟 PHY 和 MAC 规范开发,符合 IEEE 802.15.4z 标准。作为 FiRa 的赞助商和董事会成员,Qorvo 致力于发展 UWB 生态系统,并运用其技术和应用专业知识来帮助定义规范,以确保不同的终端产品之间的互操作性,为消费者带来新的无缝体验。


全球科技市场咨询公司 ABI Research 预测,2021 年 UWB 设备的出货量将达到 3 亿台。ABI Research 的研究分析师 Stephanie Tomsett 表示:“智能手机将进一步提高 UWB 集成度,让用户能够准确定位其他支持 UWB 的设备、开门或解锁车辆,以及实现购物自动无线付款。”


Qorvo 移动产品事业部总裁 Eric Creviston 表示:“我们非常高兴 Qorvo 的众多 UWB 解决方案组合能够支持与 Apple 的互操作。我们注意到,UWB 技术在许多移动、汽车和物联网应用中迅速普及,以提供出色的定位和安全通信功能。这为提供全新用户体验提供了契机。过去 10 年,Qorvo 的 UWB 团队一直走在该领域创新的前沿,为众多用户提供支持,帮助他们在 40 个不同的垂直市场中设计突破性的产品和解决方案。”



Qorvo UWB 产品兼容采用 U1 的 iPhone 和 Apple Watch 型号
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诗与盛夏




Qorvo UWB 开发套件

DWM3000EVB

  • 这款 Arduino Shield 开发套件基于 Qorvo DWM3000 模块。

  • 支持开发人员灵活利用 Nordic Semiconductor 开发套件(nRF52832DK、nRF52833DK 或 nRF52840DK)来评估 Qorvo UWB 技术。


DWM3001CDK

这款套件基于 DWM3001C 模块,旨在为开发人员提供快速的原型制作解决方案,通过 USB 和免许可专业级 IDE 来提供 JLINK-OB 调试功能。




Qorvo UWB 软件套件

兼容所有的 Qorvo UWB 产品,从驱动器到 MAC、GUI 以及日志工具。嵌入式软件符合 Apple Nearby Interaction 协议和 FiRa PHY/MAC 规范。


Qorvo UWB 模块

DWM3000

纯 RF 模块,集成 DW3110 芯片组、天线和电源管理。优化的 RF 布局简化了设计集成。DWM3000 可通过 SPI 与各种微控制器轻松连接。


DWM3001C

将 Qorvo DW3110 UWB 芯片组、Nordic nRF52833 BLE SoC 和一个加速计组合在一起,即可得到快速构建标签和门禁等应用原型的出色平台。


Qorvo UWB 芯片组

DW3000

第二代四款 UWB 芯片组(DW3110、DW3120、DW3210、DW3220)针对低功耗电池供电应用进行了优化。在全球范围内提供 UWB 信道 5(6.5 GHz)和信道 9(8 GHz)支持,数据速率高达 6.8 Mbps,同时提供精准定位,精度在 10 cm 内,角度测量精度为 +/-5°。芯片组采用 QFN 和 CSP 封装。



Qorvo 的评估套件和模块现在可提供样品,所有 UWB 芯片组将进入全面量产。有关 Qorvo 的 UWB 产品和解决方案的更多信息,请访问 https://www.qorvo.com/feature/uwb-solutions-compatible-with-apple-u1。


*支持 U1 的 iPhone 型号包括:iPhone 11、iPhone 11 Pro、iPhone 11 Pro Max、iPhone 12、iPhone 12 mini、iPhone 12 Pro 和 iPhone 12 Pro Max。Apple Watch Series 6 采用 U1 芯片。


本篇文章来源于微信公众号:       Qorvo半导体

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