UWB 如何工作?如何使用UWB進行測距和位置?

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UWB 如何工作？如何使用UWB進行測距和位置？

萊特波特LitePoint 發表於 2020-11-26 15:34:49

UWB技術隨著首次搭載該技術的手機問世進入大眾的眼帘， 但是該技術會怎樣引領科技變革？為我們帶來怎樣的應用創新？這些問題直至小米UWB技術」一指連「發布得到了解答。 下面我們不妨看看UWB在小米手機中的應用 。

那麼什麼是UWB技術呢？ 

它是如何工作的？ 

UWB技術的應用，

關於FIRA聯盟， 

我們將為大家一一解答。

UWB技術的發展歷程

超寬帶並不是一項新技術，實際上可能是最古老的無線技術之一。1901年，Marconi 先生利用電火花隙發射器產生超寬帶信號，第一次成功跨越大西洋傳輸摩爾斯電碼。也正因如此，我將其歸類為超低速數據傳輸。但從技術上講，這是使用超寬帶信號實現的。在 20 世紀 60 年代，超寬帶實際上應用於軍事雷達。如今，檢測距離和方向的雷達應用中也很廣泛地採用了這項技術。但當時還未涉及消費類應用。

伽利爾摩·馬可尼

2002年，FCC 批准將 UWB 應用於消費電子和商業用途。隨著我們對整個生態系統的了解不斷加深，IEEE 已將 802.15.3 標準升級為 802.15.4，由此我們考慮將超寬帶納入標準機構的規範內。此外，誕生於 21 世紀初的 WiMedia 聯盟將超寬帶技術視為一種高速數據傳輸技術，它實際上被視為無線 USB 的替代品，這樣便無需使用 USB 線。話雖如此，但同一時間內，Wi-Fi 也在為同樣的具體應用展開競爭。

從歷史的角度來看，Wi-Fi 最終獲勝，超寬帶已被擱置多年，這種情況直至現在。

2019年，超寬帶出現了「東山再起」的跡象，人們將它重新定位為可實現精確定位和方向跟蹤的技術，並且支持IEEE 802.15.4標準 。當我們今天再談UWB的時候，我們不再談論高速數據通訊，而是關注跟蹤、測距和定位。去年，FiRa 聯盟也應運而生，旨在幫助培育和發展UWB 生態系統。在後續的介紹中，我會進一步說明。

UWB 如何工作

UWB能夠提供更加出色的安全性，避免惡意攻擊。原因在於，可以利用UWB以極其安全的方式根據具體位置來驗證用戶身份。而對於目前存在的其他技術（例如藍牙），也可以提供從您的設備到另一臺設備的距離，但它使用信號強度或 RSSI（接收信號強度指示器）確定距離。作為替代，超寬帶使用一種稱為飛行時間 (TOF) 的方法。因此，它實際上採用了 TOF 而非信號強度。原因是信號強度實際上很容易遭到攔截和攻擊，但時間難以偽造。您無法記錄某些內容、重新廣播這些內容，然後將實際並未發生的信息告知與您談話的人。時間是真實無誤的。因此，從身份驗證和定位角度而言，超寬帶的安全性的確非常優異。

如何使用UWB進行測距

第一步是測量距離。我曾提到過這一點，超寬帶採用一種稱為飛行時間的方法。這種方法簡稱為 TOF。在畫面中可以看到，兩個分別名為 Tag 和 Anchor 的設備。Tag 發出輪詢信號，俗稱 Ping。隨後，Anchor 接收到該信號。而 Anchor 存在一個已知的延遲。經過這段已知延遲後，它將該信號作為響應發送回 Tag。此過程通常稱為 Pong。隨後，Anchor 接收到該信號。根據該波形中解碼的延遲以及測得的發送和接收之間的時間間隔，可以計算出距離。因為距離基本上等於時間乘以光速。之後，Tag 還可將輔助輪詢信號發送回 Anchor。這便是另一個 Ping 信號。隨後便可在測距坐標的兩側進行操作並檢查彼此的值。

由此，您可以看到，存在單邊雙向測距（即 Ping-Pong 方法）以及雙邊雙向測距（即 Ping-Pong-Ping 方法）。對於雙邊方法，可以讓兩個設備互相檢查以確保它們測量的距離相同。這樣便提高了準確性和安全性。以上就是測距工作原理的第一步。

如何使用UWB確定位置

其中一種方法是，在環境中配置多個接收器。這裡，我以 GPS 作為類比。如果我有一個接收器，我知道我的位置就在球體上的某個位置。這個位置處於接收器接收信號的半徑範圍內。如果環境中存在兩個接收器，便可將位置範圍縮小到兩個球體相交的圓。如果有第三個接收器，就可以了解我所在的具體位置。如果有第四個接收器，就可以獲得確切位置。因此，在使用單天線設備的環境中，如果至少存在四個接收器，我們便可以確定發送器的確切 3D 位置和空間。

除了這種三角測量方法，我們還可使用一種稱為「到達角」的方法。這種方法更多涉及到雷達天線的工作原理。對於這種方法，接收器需要具備多根天線。而在三角測量方法中，接收器只需具有單根天線。採用此方法時，我們需要觀察接收信號時極微小的空間差異，以便通過信號處理確定信號來自哪個角度。如果已知飛行時間，便可確定距離；如果已知到達角，便可確定方向。將兩者結合，便可基於飛行時間和到達角確定確切位置。因此，有兩種不同的方法可以利用超寬帶確定位置和空間。

未 完 待 續  

關於LitePoint

LitePoint 致力於為全球最具創新精神的無線設備製造商提供無線測試解決方案和服務，幫助他們確保產品能夠滿足當今消費者的需求。作為無線測試領域的領先創新企業，LitePoint 產品開箱即用，可對全球使用最廣泛的無線晶片組進行測試。LitePoint 與智慧型手機、平板電腦、PC、無線接入點和晶片組的領先製造商攜手合作。LitePoint 在新興互聯設備（物聯網）測試領域佔據前沿地位。LitePoint 總部位於加州矽谷，在全球設有多個辦事處，是 Teradyne（NASDAQ：TER）旗下的全資子公司，也是測試和工業應用領域領先的自動化設備供應商。2018 年，該公司合併後在全球約有 5,200 名員工，年收入為 21 億美元。

責任編輯：PSY

原文標題：UWB技術如何實現安全定位與測距？

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