深度探讨UWB技术的工作原理

以下文章简述了UWB 技术的内部工作原理，并叙述出UWB 超宽带定位方法之间的差异。

UWB 与窄带进行比较

适用于室内和室外定位应用的技术有多种，但 UWB 最精确、最可靠且最具成本效益；通常也更具可扩展性。将 UWB 技术与最流行的窄带方法进行比较，可以清楚地说明这一点，这也是我们在本节要做的。

从一开始，脉冲无线电 UWB 的设计目的就是实现高精度测距估计，同时进行双向通信。这样它就可以收集传感器数据，并控制执行器。

脉冲无线电是 UWB 信号的一种形式，它的特性使其成为密集多径环境中定位和通信服务的理想选择。

除了其定位功能，Qorvo UWB 技术还符合 IEEE 802.15.4a 标准和近期发布的 IEEE 802.15.4z 标准。因此，除了厘米级测距精度，开发人员还强调要确保该技术稳定且不受各种干扰的影响，从而实现更高的可靠性。制定该标准时，还考虑了低功耗和低成本因素，以及支持大量互连设备的能力。工程师们在创建该标准时有一个愿景：让每个互连对象都具有“定位感知”能力。

联邦通信委员会 （FCC） 将 UWB 无线电频率范围定义为 3.1 GHz 至 10.6 GHz，最低信号带宽为 500 MHz。与其他无线电技术不同，UWB 并不使用幅度或频率调制来编码其信号传输的信息。相反，UWB 采用非常窄的短脉冲序列，利用二进制相移键控 （BPSK） 和/或脉位调制 （BPM） 对数据进行编码。使用窄脉冲导致传输表现出宽带宽特性，从而可以扩大范围，降低对窄带干扰的敏感度，并且能够在存在多路径反射的情况下运行。

RSSI 的限制

在当今的许多应用中，定位跟踪采用接收信号强度指示器（RSSI） 实现。在 RSSI 应用中，无线电信号的强度随自由空间中与发射机距离的平方反比而变化。当信号远离信号源时，信号强度就会减弱。

将 RSSI 配合 Wi-Fi 和蓝牙 802.11 标准一起使用。根据已知的发射端设备的发射功率，就可以预测设备之间的距离。然而，这些类型的测量也存在缺陷，我们接下来会进行讨论。

使用蓝牙的定位跟踪

蓝牙定位跟踪，如蓝牙低功耗 （BLE） 信标，在某些情况下很有效。信标主要用于接近检测。它们会在设备（如电话）处于覆盖范围内时进行检测，并通过区分信号强度 （RSSI） 的强弱来估算距离。

设备 A 可以从会议室天花板上的信标接收到非常强的信号，但墙壁使会议室外部附近角落的信标信号明显减弱，而这两个信标与设备 A 的距离大致相同。设备 B 不在任何信标的 LOS 范围内，因此，所有信号都明显减弱，而设备 C 处于开放式办公室中多个信标的 LOS 范围内。所以信号强度更强，因为衰减更少。

解决这个问题的变通方案就是使用一种叫做“指纹识别”的方法。先利用安装在几米远固定位置的信标测量已知位置其他信标的信号强度。将这些信号强度信息保存在指纹识别数据库中。然后，信标通过比较其信号强度与指纹识别数据库中的数据，就可以确定设备的距离和位置。根据最接近的匹配即可获得位置测量结果。

指纹识别有许多版本，它们使用各种各样复杂的算法。请记住，这些系统只是变通方案。它们并不能以 UWB 等技术的精度真正解决距离测量问题。

使用 Wi-Fi 的定位跟踪

Wi-Fi 是室内定位应用最常用的无线电信号。它仍然是使用最广泛的室内定位技术，并且经常与 BLE 结合使用。Wi-Fi 的主要优势在于，大多数公共或私人场所都提供 Wi-Fi。

然而，使用 Wi-Fi 信号强度估算距离会面临与蓝牙相同的挑战。一些公司已经开发出替代算法，试图使用 Wi-Fi 信号的飞行时间 （ToF） 或到达时间 （ToA） 来更精确地测量距离，但这无法直接使用标准的 Wi-Fi 硬件实现。

ToF 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。ToA 是无线电信号从发射机到达远程接收机的时间点。

通过在网络中添加更多信标，可以在一定程度上提高 RSSI 指纹识别的准确性。尽管精度可能会提高一点，但却无法提高测量的整体可靠性。