图文详解：UWB技术的工作原理

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[导读]超宽带技术（UWB）是最佳定位跟踪技术，因为UWB的设计初衷就是实现高精度测距估计，同时进行双向通信。所以，UWB是当今最好、最先进的定位技术。今天，就带大家深入地了解一下UWB技术的工作原理。1、为什么说UWB最适合室内定位跟踪？UWB的固有特性意味着，它可以实现比其他技术更精...

超宽带技术（UWB）是最佳定位跟踪技术，因为UWB的设计初衷就是实现高精度测距估计，同时进行双向通信。所以，UWB是当今最好、最先进的定位技术。今天，就带大家深入地了解一下UWB技术的工作原理。

1、为什么说UWB最适合室内定位跟踪？

UWB的固有特性意味着，它可以实现比其他技术更精确的室内定位和距离测量。

如图1所示，UWB脉冲（中间和右侧图）只有2纳秒（ns）宽，因此不受反射信号（多路径）干扰和噪声的影响。UWB射频（RF）脉冲边缘清晰，因此在日常环境中，在常见的信号反射和多路径效应的情况下，仍能精确测定到达时间和距离。
图1
将UWB作为解决方案时，反射信号（灰色）不会影响直接信号（蓝色）。IR-UWB 信号（中间和右侧）的上升和下降时间（边沿）比标准窄带信号（左侧）更短，因此可以精确地测量信号的到达时间。这也有助于UWB信号在存在噪声和多径效应的情况下保持其完整性和结构。
即使在噪声条件下，如图1（右侧）所示，2ns宽的脉冲无线电UWB脉冲的到达时间几乎未受影响。相比之下，如图2所示，窄带信号受到噪声的影响比较明显。
图2
我们已使用窄带无线电技术对基于ToF的方法进行了试验。如图3所示，窄带信号对多路径非常敏感，因为反射信号（深灰色）可与直达经信号（浅灰色）进行具有破坏性的结合，从而在接收机端生成最终信号（蓝色）。这会影响信号超越阈值（用于测量ToA）的时间，从而降低精度。
图3
UWB的精度优势非常明显。UWB完全能够以5至10厘米的精度测量距离和位置。相比之下，蓝牙、Wi-Fi，以及其他窄带无线电标准只能实现米级精度。

此外，由于UWB无线电脉冲极短，多径效应下，直达径信号不会与多径信号重叠，因此不会损坏信号完整性和强度。
这表明，UWB具有以下特性：

超精准，提供厘米级精度，比BLE和Wi-Fi精确100倍；
超可靠，在存在多径反射的情况下能够保持信号完整性。

2、UWB拓扑结构比较和选择

UWB利用ToF的概念，这是一种通过将信号的ToF乘以光速来测量两个无线电收发器之间距离的方法。基于这个基本原理，可根据目标应用的需求以不同的方式实现UWB定位技术。

最佳拓扑结构主要由应用决定。这也就是说，设计工程师首先要将应用和拓扑结构匹配。可供选择的方法有：

双向测距（TWR）：如图2-9所示，TWR方法可通过测定UWB射频信号的 ToF，然后将该时间乘以光速来计算标签与锚点之间的距离。汽车无钥门禁系统就是使用TWR方法的一个应用示例TWR可生成一个安全空间，类似于一个安全气泡，同时确保在应用的时候，这个气泡保持高精度的安全控制。

如果您在两个设备之间实施TWR方案，则可以获得设备之间的距离信息。在TWR方案的基础上，您还可以在移动标签和固定锚点之间实现2D甚至3D位置测量，这种称为“三边测量法”。

采用TWR方法，可交换三条消息。标签通过发送一条含已知锚点地址的轮询消息启动TWR。锚点记录轮询接收时间，并回复响应消息。在收到响应消息后，标签记录时间并编写最后一条消息。锚点可利用最后一条消息中的信息确定UWB信号的ToF。

TWR方法也可用于图2-10和图2-11所示的2D/3D资产场景。图2-10显示使用监听器的双向测距，而图2-11显示使用数据标签回程的TWR。如图2-11所示，数据回传可以使用多种方法（如Wi-Fi、NB-IoT、LTE-M等）实现，通过这些方法将数据传输至云。

到达时间差（TDoA）和反TDoA：TDoA和反向TDoA方法类似于GPS。在已知的固定场所部署了多个参考点，称为“锚点”，且这些锚点在时间方面实现了紧密同步。如果为TDoA，移动设备将闪烁（也就是定期发送信息），当锚点接收到信标信号时，将基于共同的同步时基标记时间戳。然后，多个锚点的时间戳将转发至中央定位引擎，中央定位引擎将根据每个锚点的信标信号 TDoA运行多点定位算法。最后将得到移动设备的2D或3D位置，如图2-12所示。反向TDoA更像GPS。在该系统中，锚点发送同步信标（具有固定/已知偏移，以避免发生碰撞），移动设备利用TDoA和多点定位算法来计算其位置，如图2-13所示。

到达相位差（PDoA）：另一个UWB拓扑就是PDoA。PDoA可将两个设备之间的距离与两者之间的方位测量结合在一起，如图2-14所示。利用距离和方位的组合信息，可在没有任何其他基础设施的情况下计算出两个设备的相对位置。为此，其中一个设备必须配备至少2根天线，并且能够测量每根天线处到达信号载波的相位差。相位完全不受天线变形的影响，并且可实现优于 10°的测量精度，从而可以在不到5°的情况下确定发射器的方位。

对于每种拓扑结构，分别最适合哪种应用？这些用例主要侧重于三个不同的领域：感应式门禁、定位服务和设备对设备（点对点）应用。
图4详细介绍了TWR、TDoA、反向TDoA和PDoA拓扑结构的最佳应用。
图4

END
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