直观解析：图文说明UWB技术的操作原理

发布时间：2021-11-29 11:13:24

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

标签：UWB 工作原理

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超宽带技术（UWB）被认为是最适合室内定位跟踪的技术，因为其设计初衷是实现高精度测距估计和双向通信。今天，我们将深入探讨UWB技术的工作原理。

UWB为何是最适合室内定位跟踪的技术？

UWB具有固有特性，使其能够实现比其他技术更准确的室内定位和距离测量。

UWB脉冲信号仅持续2纳秒（ns），因此不受反射信号（多径效应）和噪声的干扰。UWB射频（RF）脉冲边缘清晰，即使在常见的信号反射和多径效应情况下，仍能精确测定到达时间和距离。

当采用UWB作为解决方案时，反射信号不会影响直接信号。与标准窄带信号相比，IR-UWB信号的上升和下降时间更短，因此可以精确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，2纳秒宽的无线电UWB脉冲的到达时间几乎不受影响。相比之下，窄带信号更容易受到噪声的影响。

我们已经进行了基于ToF（Time of Flight）方法的窄带无线电技术实验。窄带信号对多径效应非常敏感，因为反射信号会与直达信号结合，产生破坏性的干扰信号。这会影响超越阈值（用于测量到达时间）的时间，降低精度。

UWB的精度优势非常明显。UWB能够以5至10厘米的精度测量距离和位置，而蓝牙、Wi-Fi和其他窄带无线电标准只能实现米级精度。

此外，由于UWB无线电脉冲持续时间极短，当存在多径效应时，直达径信号不会与多径信号重叠，因此不会损坏信号的完整性和强度。

总结起来，UWB具有以下特点：

超高精度：提供厘米级精度，比蓝牙和Wi-Fi高出100倍。

超高可靠性：在存在多径反射的情况下仍能保持信号的完整性。

UWB技术利用ToF（Time of Flight）的概念，即通过将信号的ToF乘以光速来测量两个无线电收发器之间的距离。基于这个基本原理，可以根据目标应用的需求以不同的方式实现UWB定位技术。

最佳的拓扑结构主要取决于应用场景。因此，设计工程师首先需要将应用和拓扑结构进行匹配。以下是可供选择的几种方法：

双向测距（TWR）：TWR方法通过测量UWB射频信号的ToF，然后将其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一个使用TWR方法的应用示例。TWR可以生成一个安全空间，类似于一个保护气泡，并确保在应用过程中保持高精度的安全控制。

到达时间差（TDoA）和反向TDoA：TDoA和反向TDoA方法类似于GPS。在已知的固定位置部署多个参考点，称为锚点，并通过时间方面的紧密同步使它们保持同步。对于TDoA方法，移动设备会周期性发送信标信号，在锚点接收到信标信号时，会记录基于共同的同步时基的时间戳。然后，锚点的时间戳将发送至中央定位引擎，该引擎会根据每个锚点的信标信号和TDoA运行多点定位算法，从而得出移动设备的2D或3D位置。

到达相位差（PDoA）：另一种UWB拓扑结构是PDoA。PDoA结合了两个设备之间的距离和方位测量。利用距离和方位的组合信息，可以计算出两个设备的相对位置，而无需其他基础设施的支持。为此，其中一个设备必须配备至少两个天线，并能够测量到达信号载波的相位差。相位差不受天线形变的影响，并且可以实现高于10°的测量精度，从而能够在小于5°的情况下确定***的方位角度。

每种拓扑结构适用于不同的应用场景。这些用例主要涵盖以下三个领域：感应式门禁、定位服务和设备对设备（点对点）应用。根据具体的应用需求和场景特点，选择最合适的拓扑结构是非常重要的。