村田:什么是UWB(超宽带)无线通信?使用UWB的定位方法有哪些应用? ​

发布时间:2023-10-25 13:27
作者:AMEYA360
来源:村田
阅读量:2966

  UWB是Ultra-Wide Band的缩写,意思是超宽带。UWB无线通信是使用超宽带的频率带宽的无线通信,其主要特征是能够实现高精度定位。近年来,已普及至智能手机防丢失、高阶汽车智能钥匙等民用设备。预计未来将在多个领域普及。

村田:什么是UWB(超宽带)无线通信?使用UWB的定位方法有哪些应用? ​

  UWB无线通信技术有哪些独特优势?技术发展历史如何?有什么主要用途呢?

  UWB无线通信的特征

  IEEE802.15.4z是UWB无线通信的代表性标准,其中有使用Impulse Radio的方式,Impulse Radio使用持续时间短的脉冲信号。该标准的主要特征如下:

  高精度测距和定位

  安全性高

  对其他通信干扰弱

  低功耗

  UWB无线通信如何展现这些特征?

  在UWB无线通信中,如图1所示,将宽度为2ns(纳秒,10-9秒)左右的脉冲作为数据进行传输。这种短持续时间脉冲具有能进行高分辨率的测距和定位的特性。

  另一方面,时域中的脉冲宽度小意味着频域中的功率谱占据很宽的频带(通信中的时域和频域将在后文解说)。

  图2定性地显示了该频域中UWB无线通信的传输功率(功率谱密度)。例如,如果同第2代手机和Wi-Fi以及第3代手机等传统通信所使用的频率带宽相比较,可以看到UWB无线通信的频率带要宽得多。

  此外,UWB无线通信的传输功率峰值不仅低于其他通信方式,而且其设定值低于FCC(Federal Communication Commission:美国联邦通信委员会)*1规定的无线电波辐射数字设备的噪声水平规定值-辐射电磁噪声规定值?41.3dBm/MHz*2(75nW/MHz)。

  由于UWB无线通信具有以上所述的使用频率带宽、传输功率等级低于噪声等级的通信特性,因此对其他通信的干扰较弱,且通信本身不为第三方所知,所以其安全性高,而且,还具有能进行低功耗通信的特点。

  *1 FCC(Federal Communication Commission:美国联邦通信委员会):在美国参与管理和监管美国全部通信(无论是无线还是有线)的政府机构。

  *2 dBm/MHz:每1MHz频率宽度的功率等级(功率谱密度)。dBm是将功率转换为常用对数时的单位。在通信领域中,需要处理的数值范围很广,直接处理很不方便。所以通常使用对数表示来缩小其范围。

  UWB技术的历史和法规

  自1960年代以来,UWB技术在美国主要作为军用雷达进行研究。直到1994年左右,它还是一种被视为军事机密的通信技术。从1998年左右开始,美国FCC开始考虑将UWB用于民用,并于2002年获得批准,此后,UWB芯片套件等的研究不断向前推进。

  到2019年之后,UWB才广为公众所知。引发这一现象的是配备UWB模块的智能手机的问世。由此,在过去未将UWB用于民用目的的国家,使用许可也取得了进展。

  UWB技术就是这样发展起来的,如果特别关注频率带宽规定的话,会发现FCC分配的UWB无线电频率带宽是3.1GHz-10.6GHz之间的7.5GHz。另一方面,欧盟、欧亚大陆、东亚、大洋洲等国家和地区分配的带宽与此略有不同,其规定是在室内和室外主要能使用6.0GHz-9.0GHz左右的带宽。

  然而,目前大多数UWB模块遵守的是IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers:电气与电子工程师协会)*3在 2007年采用的短距离无线标准IEEE802.15.4a中指定UWB优先使用通道号9(中心频率:7987.2MHz,频率带宽:499.2MHz)的规格。

  *3 IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers:电气与电子工程师协会):世界上最大的电气领域学术研究组织。也是该领域的技术标准化组织。

  UWB无线通信的用途

  这里,我们对UWB无线通信在民用和工业中的主要用途以及今后可期待的用途进行介绍:

  民用UWB无线通信设备和服务

  - 防范丢失

  通过在物品上贴上UWB标签,可以防范其丢失。例如,将UWB标签贴在包、钱包、钥匙等上面,使用配备有UWB模块的智能手机,可以以cm级精度定位UWB标签的位置,并找到这些物品。此外,虽然UWB标签的电池是纽扣电池,但由于功耗低,所以被认为可以使用1年左右。

  自2019年以来,UWB模块不仅越来越多地配备在智能手机中,而且还配备在平板电脑、智能手表和智能音箱等民用设备中。今后,随着使用UWB无线通信的各式产品和服务的出现,预计将成长为一个大规模的市场。

  - 安全地入退馆和入退室

  通过使用配备UWB模块的智能手机,可以构建不用手且安全地入退馆和入退室的系统。

  利用UWB的高精度测距和高安全性的特征,可以在迄今为止使用密码、物理钥匙、IC卡等的公寓等住宅以及处理机密信息的办公室和工厂等处不需要取出钥匙以及IC卡,将智能手机等放在口袋或包里即可安全地解锁入口。能够顺利入退馆和入退室的应用程序有望得到普及。

  - 免提支付和计费

  通过使用配备UWB模块的智能手机,可以在超市、便利店、餐馆等商业设施构建不用手且安全的支付系统,此外,还能在车站检票口、娱乐设施、住宿设施、停车场等处构建计费系统。

  利用UWB的高精度测距和高安全性的特征,不需要拿出钱包、IC卡、智能手机等即可不用手、顺利地进行支付和计费的应用程序有望得到实用化和普及。

  汽车用UWB无线通信设备及应用

  - 智能钥匙

  作为利用UWB无线的高精度测距和定位的用途之一的是汽车智能钥匙。例如,可以配备以下操作功能:通过在汽车附近使用UWB进行无线通信在约1m以内判断车主并解锁,或者在车主位于数十厘米以内时启动发动机。

  此外,由于UWB无线的传输功率很低,是一种具有高度保密性的通信,因此可以防范中继攻击(第三方中继传统无线钥匙持续输出的电波并解锁的盗窃手段)等,强化安全性。

  - 车载网络的无线化

  如今,配备各式各样的传感器、雷达、AI系统等并让它们相互合作的汽车IoT化不断发展,作为CAN(Controller Area Network)等车载网络使用的线束(由电线和连接端子组成的车载部件)据说在某些车型上的总长度已达到10km,总重量已达到50kg。作为联网汽车也在并行发展,在这种情况下,与其他通信之间的干扰较弱的UWB无线技术被认为在实现车载网络无线化中非常有效。

  工业用UWB无线通信设备和系统

  - 工厂、仓库等的实时定位系统

  使用多个UWB锚点和UWB标签*4,可以构建高精度、实时掌握放置在工厂和物流现场等处的部件和包裹等的位置的系统-实时定位系统(RTLS:Real Time Location System)。

  *4 在使用UWB无线通信进行定位时,标签发出的信号被多个锚点接收,并能通过对信息进行处理来准确确定标签的位置(参见专栏)。工业UWB锚点通常与定位引擎、应用服务器等结合使用。

  UWB中的定位方法

  UWB中的定位方法

  作为使用UWB无线通信的定位方法,代表性的方法是将配备UWB功能的智能手机等终端或工业用UWB 锚点、通过UWB标签之间的ToF(Time of Flight)进行的测距以及通过AoA(Angle of Arrival)进行的测量角度进行组合。

  以下,我们对每种方法分别进行解说。

  通过ToF进行的测距

  通过使用UWB无线通信的ToF(Time of Flight)技术进行测距的原理是:通过测量从消息(信号)发送到接收的时间来计算到物体的距离。具体而言就是UWB发射器发送短脉冲信号,接收器接收该信号。从发送到接收所需的时间称为ToF。

  使用ToF技术的UWB测距可以根据电磁波的速度(光速)和所需的时间来计算距离。具体而言就是用所需时间和光速的乘积求出距离。可以通过UWB的超宽带特性利用短脉冲信号,因此,可以获得很高的时间分辨率和测量精度。由此,在传感和定位应用中可有望得高精度的测量结果,因此已被应用于各式各样的领域。

  UWB测距技术主要有2种手法:SS-TWR(Single-Sided Two-Way Ranging)和DS-TWR(Double-Sided Two-Way Ranging)。这些手法采用不同的方法通过信号往返进行距离测量。

  - SS-TWR:

  SS-TWR(Single-Sided Two-Way Ranging)是一种仅由一方的设备测量往返时间的方法。在这种手法中,设备A向设备B发送信号,设备B收到该信号后,向设备A发送回复信号。设备A测量从发送到接收所花费的时间并计算往返时间。此方法仅使用设备A就能进行测量,但需要两个设备的时钟同步。

  - DS-TWR:

  DS-TWR(Double-Sided Two-Way Ranging)是一种用两台设备测量往返时间并共享结果的方法。在这种手法中,设备A向设备B发送信号,设备B收到该信号后,向设备A发送回复信号。设备 A和设备B分别测量各自从发送到接收所需要的时间,并使用这些结果计算往返时间。这种方法不需要时钟同步,因此测量更容易,精度更高。

  通过AoA进行的角度测量

  AoA(Angle of Arrival)是一种计算从设备A看到的设备B放置方向的角度的方法。如图4所示,UWB无线中通过AoA进行的角度测量的原理是:设备B发射的电波被设备A的多根天线接收,并且根据接收的电波的相位差计算角度。使用这种方法,能通过用2根天线进行的角度测量(2D AoA)进行平面定位,以及通过用3根天线进行的角度测量(3D AoA)进行三维定位。

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2026-09-16 14:05 阅读量:421
村田丨毫米波雷达,未来发展的潜力是与传感器融合!
  一般来说,雷达(RaDAR:Radio Detection And Ranging)是一种通过向目标物体发射电磁波(电波)并测量从目标物体反射回来的电波来检测与目标物体之间的距离和方位的装置。因此,毫米波雷达是指使用毫米波作为电波的雷达。与红外线和摄像头相比,毫米波雷达即使在雨、雪、雾等恶劣天气条件下也能保持检测能力,不仅可以检测与目标物体之间的距离和方位,还能检测目标物体的移动速度。本文介绍具有此类特征的毫米波雷达的检测原理、应用事例及其未来发展潜力。  01  什么是毫米波?  图1显示了毫米波(也写作“mmWave”)在电波分类中所处的范围。一般来说,它指的是频率在30GHz到300GHz之间、波长在1mm到10mm之间的电波,之所以称为“毫米波”,是因为其波长以mm(毫米)为单位。(注:实际上,毫米波的频率范围并没有严格的定义。例如,目前全球分配给5G通信的26GHz频带和28GHz频带也被视为毫米波。)  图1 按频率分类的电磁波分类  毫米波具有强直线传播性和可以确保宽频带宽的特征,总结如以下两个方面:  直线传播性:  如图1所示,由于毫米波的频率接近光的频率,因此它像光一样具有很强的直线传播性,由此可以得出以下结论:  由于墙壁等物体的遮蔽以及非常恶劣天气的影响,毫米波的强度会衰减  也由于这个原因,毫米波不适合远距离通信  在短距离通信中,毫米波与近处的毫米波系统之间不容易发生干扰  可以穿透布料和树脂等  频带宽  毫米波频带是一个尚未开发的领域,且是一个需求量很少的频带,因此可以确保较宽的频带宽。(目前,比GHz更低的频率范围基本上都已被使用,确保带宽会受到电波法和商业因素的限制。)  在雷达中,增加频带宽有助于提高距离检测(参照第2节)的精度,因此可以说频带宽是一项重要的规格。另外,在移动通信等当中,增加频带宽有助于实现通信速度的高速化。  02  毫米波雷达的方式及特征  如前所述,毫米波雷达向目标物体发射毫米波,并接收来自目标物体的反射波以检测对象物体位置的装置,能检测的上限为大约300m范围内的物体。  目前,低功率雷达可以使用的频带有24GHz频带、60GHz频带、76GHz频带和79GHz频带,每个频带都规定了各自的技术条件。其中,24GHz频带的波长为12.5mm,不在毫米波定义的10mm至1mm范围内,因此有时被称为“准毫米波”;毫米波频带(60GHz频带、76GHz频带和79GHz频带)具有较宽的带宽,因此能够进行高精度检测。  脉冲方式和FMCW方式是毫米波雷达的代表性方式。FMCW是Frequency Modulated Continuous Wave的缩写,意思是使用对频率进行调制后的连续波的方式。两种方式的特征及相互对比如下:  脉冲方式:  向目标物体发射宽度很短的脉冲,脉冲宽度从几十纳秒到几微秒不等,通过测量到接收到反射脉冲为止的时间来确定与目标物体之间的距离、速度和角度(图2)。该方式的检测原理简单,电路构成也比FMCW方式更简单。  FMCW方式:  这种方式向目标物体发射对连续波进行频率调制后的发送波,然后从发送波与反射波之间的频率差来确定与目标物体之间的距离、速度和角度。此外,它还可以测量与目标物体之间的相对移动速度(图2)。  图2 通过毫米波雷达检测目标物体的示意图  图3显示了FMCW方式发射波的示意图。它有时被称为Chirp波形。  图3 Chirp波形的示意图(Chirp指鸟鸣)  03  FMCW方式毫米波雷达:构成和检测  毫米波雷达有多种方式,但基本都是从FMCW方式发展而来的方式。因此,下面将对FMCW方式毫米波雷达的构成和目标物体检测的大概原理进行说明。尽管它构成简单,但可以获取距离、速度和角度等复合信息。  图4 通过毫米波雷达进行的目标物体检测  毫米波雷达的构成  毫米波雷达主要由以下几部分构成:  合成器:生成待发送的毫米波频带电波(发送波)  发射天线:发射发送波  接收天线:接收反射波  混频器:将发射信号和接收信号进行组合  DSP:即数字信号处理装置,实施计算处理  检测的原理  毫米雷达波的检测原理主要包括这四个步骤:  发送波的生成:通过合成器生成毫米波频带的发送波。  毫米波的发射:将发送波从发射天线连续发射至目标物体。  反射波的接收:通过接收天线接收从目标物体返回的反射波。  计算处理:通过混频器将发送波和反射波进行组合,经A/D转换器转换为数字信号,再通过DSP进行计算处理,以确定与目标物体之间的距离、角度和速度等。  04  毫米波雷达应用事例  在第3节中说明的FMCW方式毫米波雷达已被应用于很多现场。这里,我们将以汽车、工业机器人和无人机为例,对它的应用场景及贡献的功能进行说明。  用途:汽车  在汽车领域,通过毫米波雷达检测车辆周边的障碍物和其他车辆,由此能够实现自动刹车和车道保持辅助等功能,毫米波被认为对实现L2级自动驾驶(部分自动驾驶)不可或缺。此外,监控驾驶员和乘客的状态以及是否有儿童被遗忘在车上也被作为提高安全性所不可或缺的功能而备受关注。  工业机器人  通过在工业机器人手臂上配备毫米波雷达,可以检测手臂与人或物体之间的距离,并可检测速度和角度数据,从而实现诸如停止手臂运动等预设动作。此外,还可以实现自主移动,例如,AMR(Autonomous Mobile Robot:自主移动机器人)可以在行走时避开货架、墙壁、行人以及多种工业设备等障碍物。  无人机  无人机,尤其是飞越有人地带的无人机,需要高度的安全性。通过使用毫米波雷达探测飞行路径,可以探测与地面之间的距离、柱子、墙壁以及电力线、电话线和布置在空中的天线等物体,不受天气条件的限制,从而确保在有人地带进行安全飞行。  05  毫米波雷达在安全技术中的应用  毫米波雷达已被应用在多个领域,近年来,在欧洲进行汽车安全性能评估的Euro NCAP提出了强化碰撞安全试验,因此,毫米波雷达在提高车内安全性的“座舱监控系统”中的应用备受关注。  Euro NCAP(European New Car Assessment Programme)是欧洲新车安全评鉴协会)的缩写。该协会是一个对在欧洲销售的新车的安全性进行评估和发布的独立机构。它对碰撞安全性和行人保护等前沿安全技术进行测试和评级,已成为消费者选车的指标。另外,NCAP在各国都有,例如,在美国有IHS rating,在日本有JNCAP。  2023年,Euro NCAP发表了新的评估项目。除了根据乘员体格自动展开安全气囊的技术以及检测安全带使用情况的技术外,为了预防近年来“因儿童被遗忘在车内而导致的中暑事故”,评估对象中还新增了儿童遗忘检测功能。为了满足这些要求,能够掌握车内状况的座舱监控系统不可或缺。  座舱监控系统是一种利用车内传感器监控驾驶员和乘员的状况,并在需要时启动制动或警报的机制。它由驾驶员监控系统DMS(Driver Monitoring System)和乘员监控系统OMS(Occupant Monitoring System)组成,驾驶员监控系统用于确认驾驶员的身体状况和注意力,乘员监控系统用于掌握乘员的位置和行动。传感器中一直在使用摄像头,但在许多情况下,仅靠摄像头难以检测到,例如后向式儿童安全座椅上的婴儿、裹在毯子里的乘员以及安全带的佩戴状况等。  在这些情况下,作为补充和替代摄像头的装置(传感器),毫米波雷达被认为很有前景。毫米波雷达能够穿透织物和座椅靠背,因此可以检测到“摄像头无法看到的对象”。此外,它对于微小的动作也能捕捉到,因此对于心率和呼吸等生理功能的轻微变化也能检测。凭借这些特征,毫米波雷达有望为大幅提高座舱监控系统中的DMS和OMS的功能做贡献,并有助于符合Euro NCAP要求的新安全标准。  06  总结:毫米波雷达的未来是与传感器融合  毫米波雷达是一种具有优良检测能力的装置——传感器,但为了满足今后多样化的检测需求,将包括毫米波雷达在内的超声波传感器、红外传感器和摄像头等多种传感器相组合的“传感器融合”至关重要。  传感器融合是一种整合来自多个传感器的数据,以获取单个传感器无法获取的信息的技术。例如,通过将毫米波雷达与图像传感器相组合,不仅可以从人体运动中获取驾驶员的疲劳程度和注意力水平信息,还可以从眼球运动和面部表情中获取信息,并根据需要发出警报。  将来,除了汽车外,在工业机器人、无人机和多种出行设备中,以毫米波雷达为中心的传感器融合技术也有望大幅提高周边状况的识别精度、安全性和可靠性。
2026-09-16 13:05 阅读量:459
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