【技術文章】在社交距離應用中，超寬帶(UWB)成為可精確測量距離的最佳解決方案

Nordic半導體 2021-03-23 00:00

瑞薩8月無線技術月，手把手帶你跑通第一個工程 測試中斷？接觸漂移？5 道題找到根因

本文作者：Nordic半導體P?l Kastnes

超寬帶(UWB)技術已經存在了近三十年。在一開始，射頻(RF)技術就將信號擴展到較大帶寬以確保高數據速率和較低的功耗。然而，盡管軍方已在雷達應用和其他軍事領域中應用了UWB，但這項技術在消費性電子產品中的影響力仍然有限。例如，電池供電的PC周邊由于實際性能未達到預期水準，早期應用的樂觀前景逐漸暗淡。

然而，相關標準經過修訂，新的商用芯片問世，還有蘋果電腦的支持，我們已經看到UWB應用卷土重來。不久之后，UWB與低功耗藍牙技術搭配使用，將被證明十分適合應用于在新冠疫情下保持社交距離的可穿戴裝置。

高傳輸量+抗多路徑衰減

「超寬帶」一詞是由美國國防高等研究計畫署(DARPA)所創，描述了一種射頻技術，在很大的帶寬范圍(在最新IEEE標準中高達1.35GHz)以特定時間間隔產生非常短促──奈秒(nanosecond)甚至皮秒(picosecond)──且精確的無線電脈沖來傳輸信息。使用這些脈沖的脈沖位置或時間調變來承載信息。由于采用脈沖重復率高，可以實現高傳輸量(在標準中高達27.24Mbps)。

相較之下，低功耗藍牙是一種窄帶技術，可在2MHz的通道寬度和2Mbps最大輸送量下傳輸數據封包。窄帶短距離無線技術可能會受多路徑衰減(multipath fading)和干擾的影響，但低功率頻譜密度可以抵抗這些問題，成為了UWB的關鍵優勢。然而，魚與熊掌不可兼得，GHz帶的工作頻率會被墻壁和其他障礙物吸收，因此只能在視線范圍內運作。

精確距離測量

UWB為即時定位服務(RTLS)應用提供了前景光明的選擇。這些類型的應用需要快速測量目標相對于參考點的距離和位置。使用例子包括資產跟蹤、室內導航和保持社交距離。

常規的短距離無線位置測量系統使用信號強弱(RSSI)定位技術來估算兩個收發器之間的距離，以衡量信號自發射器離開后，信號功率降低了多少。然而，墻壁和家具等障礙物會帶來許多變數，例如多路徑衰減，因此只考慮信號強弱其實無法精確地指示實際的距離。

為克服此缺陷，UWB并不采用信號強弱作為定位方式，而是測量無線電脈沖到達接收器并返回所需的時間來測量兩個UWB無線電之間的距離。可以考慮接收器延遲和光速來實現準確的距離估算。

使用多天線來測量入射脈沖的到達角(AoA)，可以找到目標的位置。然后，將距離和方向數據相結合，系統便可以精確地確定無線電脈沖發射器在三個維度上的位置。

結合低功耗藍牙

與低功耗藍牙結合應用于保持社交距離的穿戴式裝置：

與低功耗藍牙這樣的成熟短距無線技術比較，UWB確實缺少許多固有優勢，其中包括了低功耗、廣泛的產業支持以及智能手機互通性。

Decawave(現隸屬于Qorvo)和Insight SiP等公司提供的模塊， 結合了Nordic的nRF52832低功耗藍牙SoC與商用UWB芯片的優勢，協助了PHYTEC等業者開發保持社交距離的可穿戴裝置，例如Distancer 。

Distancer是一款專門為對抗新冠疫情而開發，應用于工作場所的保持社交距離跟蹤器。

像Distancer這樣的應用產品，以低功耗藍牙無線電來估算定位目標的位置(此過程需要相對大量的RF活動)，然后切換到UWB無線電以進行更短促的精確定位操作。 這種運作模式最大程度地縮短了高功率UWB無線電的廣播時間，以延長電池壽命 。除此之外，如果遇到非UWB目標裝置，則低功耗藍牙/UWB組合允許將RSSI用作后備技術。

商業前景廣闊

在大規模疫苗接種計畫擊敗新冠病毒之前，建基于低功耗藍牙/UWB的產品有望在控制疫情中發揮越來越重要的作用。這將提升UWB技術的公眾知名度，并為芯片制造商提供一個健全發展的市場。除了疫情之外，RTLS領域還將實現快速的成長；分析機構Allied Market Research預測，該市場2019年至2026年的復合年成長率(CAGR)為30.2%，這將有助于鞏固UWB技術的發展前景。

眼看著蘋果在iPhone 11中整合了自行開發的UWB芯片以「帶動空間意識」進入智能手機，除了PC周邊設備和連絡人跟蹤之外，也鼓勵新的消費性應用多加利用精確定位技術，進一步促進了UWB作為消費性技術的興起。

原文刊載于電子工程專輯