超宽带(UWB)

执行最新的高分辨率和近距离定位和测距标准

超宽带(UWB)是用于高分辨率和近距离定位和测距以及数据通信的最广泛使用的无线标准。超宽带是一种最小带宽为500mhz的脉冲无线电技术,工作在子GHz和3.1-10.6 GHz范围内。

超宽带在所有频率上的最大功率谱密度为-41.3 dBm/MHz,远远低于WiFi、蓝牙®、无线个域网®,以及GPS,避免这些无线信号的干扰,以支持短距离通信。超宽带使用短脉冲(< 2 ns)进行传输,使其免受多径衰落的影响,并支持定位和测距应用。

UWB支持的其他应用程序有:

  • 安全访问控制
  • 安全的无线支付
  • 无线医疗传感器
  • 设备间通信

支持这些特性的UWB特性有:

  • 带宽范围:500 MHz至1.3 GHz;脉冲持续时间:< 2ns
  • 用于安全通信的打乱时间戳序列(STS)
  • 不同信道条件下的平均脉冲重复频率(PRF)为3.9 MHz至249.6 MHz,峰值PRF为499.2 MHz
  • 自定义调制方案和保护间隔,以避免干扰和多径效应
  • 单错误纠正和双错误检测(SECDED)编码用于前导,Reed-Solomon编码用于有效载荷,具有½率的卷积码和3或7的约束长度

超宽频与MATLAB

你可以用MATLAB®Zigbee通信工具箱™®和超宽频库实现和测试UWB功能的参考示例作为开放的MATLAB代码。您可以使用MATLAB实现最新的超宽带修正(15.4z),或之前的15.4a。您还可以使用MATLAB来模拟各种定位和测距算法,使用UWB波形生成、端到端UWB收发器仿真以及定位和测距示例。

超宽频技术规范

超宽带规范最早是在IEEE标准802.15.4a修正案15.4a中提出的。此修订规定了高速率脉冲重复频率物理层PHY (high rate pulse repeat frequency, HRP), 15.4f修订中引入了低速率脉冲重复频率物理层PHY。最新的增强是在修正案15.4z中提出的,它为现有的HRP和lrp - phy增加了增强测距能力设备和安全特性的模式。

MATLAB提供了实现以下模式的示例:

  • 基本脉冲重复频率(BPRF),其中平均PRF为62.4 MHz
  • 高脉冲重复频率(HPRF),其中平均PRF为124.8 MHz或249.6 MHz

STS (scramble timestamp sequence)字段是IEEE标准802.15.4z引入的安全特性,旨在增强数据的完整性。对于BRPF和HPRF模式,STS字段的传输是可选的。

图1显示了802.15.4a的符号和调制方案。卷积编码器的系统位用于识别两个可能的突发位置调制区间(TBPM).这种传播只可能发生在第一季度或第三季度。传播后N体外循环(每突发芯片),奇偶校验位用于用二进制相移键控(BPSK)调制超宽带脉冲。使用由扩散序列构造的整数值来确定爆发位置。每个传输装置都有一个保护间隔。MATLAB的例子HRP超宽带IEEE 802.15.4a/z波形生成对信号的这些方面进行建模。

图1 IEEE标准802.15.4a中的突发位置调制和BPSK。

图1。识别IEEE标准802.15.4a中的突发位置调制和BPSK。

表1比较了IEEE标准802.15.4的超宽带修正。

超宽频修正案 数据速率 乐队(GHz) 调制 用例
15.4 < 27 Mbps <1 & 3.1到10.6 突发位置调制(BPM)和BPSK 家庭和工业自动化,范围广泛
15.4度 < 1 Mbps的 <1 & 6.3到9.2 脉冲位置调制(PPM),开关键控(OOK) 测距、主动射频识别(RFID)和节能的物联网(IoT)应用
15.4 z < 27 Mbps <1 & 3.1到10.6 传播的结合。BPSK和保护间隔 免提访问控制、基于位置的服务和点对点通信

表1。超宽频的标准。

超宽频收发器

图2显示了一个超宽带收发器。发射机链由一个PHY报头组成,该报头包含数据速率、帧长度和前导持续时间等信息。PHY头由SECDED编码。上层接收的有效载荷采用Reed-Solomon编码方式进行编码。标准802.15.4z为数据完整性增加了一个可选的STS字段。速率为1 / 2且限制长度为3或7的卷积编码器的另一个块在符号映射器转换为复杂符号之前对连接的位流进行编码,该符号映射器也使用扩展序列和芯片长度来传播比特。脉冲整形后的超宽带信号通过空气传输。您可以在以下网站找到这些步骤的实现HRP超宽带IEEE 802.15.4a/z波形生成。

超宽带接收器是一个简单的能量探测器,实现为发射机的镜像,第一个块作为集成和转储滤波器。可以在。找到完整的收发器实现HRP超宽带IEEE 802.15.4a/z PHY的端到端仿真。

图2超宽带收发器

图2。使用超宽带收发器。

超宽带定位和测距

MATLAB支持使用与IEEE 802.15.4标准和IEEE 802.15.4z修正案兼容的媒体访问控制(MAC)和PHY帧的定位和测距技术。三种广泛应用的测距技术是:

  • 单面双向测距(SS-TWR):一台设备利用无线802.15.4z链路的双向帧传输来估计两台设备之间的距离
  • 双面双向测距(DS-TWR):两个设备使用无线802.15.4z链路的两个方向的帧传输来估计两个设备之间的距离
  • 单向测距/到达时间差(OWR/TDOA):一种网络辅助的定位,其中一个设备与一组同步节点通信,以估计设备的位置

你可以找到SS-TWR的MATLAB例子使用IEEE 802.15.4z,和OWR/TDOA为基于IEEE 802.15.4z的超宽带定位

在OWR/TDOA中,被本地化的设备定期广播短消息,即眨眼。对于每对同步节点,周期消息之间的TDOA将设备置于一个双曲曲面上。所有双曲曲面的交集(在每一对同步节点上)给出了设备的位置估计。

图3显示了MATLAB中OWR/TDOA的仿真结果。

图3 MATLAB下OWR/TDOA定位仿真结果

图3。在MATLAB中查看OWR/TDOA定位仿真结果。

为什么超宽带很重要?

  • 超宽带为个人和身体区域网络提供了一种替代物理层,主要工作在3.1 ~ 10.6 GHz范围内,比ISM(工业、科学和医疗)带宽拥塞更少
  • 超宽带对多径衰落的敏感性低,可以在低信噪比下工作,并为安全通信提供额外的支持
  • 与超外差收发器架构相比,超宽带提供了系统的简单性,并且通过高频实现的小天线可以在芯片内部制作
  • 超宽带脉冲持续时间比其他技术的符号时间短得多,支持测距和定位的高精度和低延迟,如表2所示
技术 超宽频 蓝牙 无线网络 射频识别 全球定位系统(GPS) 5克
精度 1厘米 1 - 5米 5 - 15米 1米 5 - 20米 10米
延迟 < 1女士 > 3 s > 3 s 1 100毫秒 < 1

表2。比较用于测距和定位的技术。

参见:无线通信通道模型无线收发器射频系统通信工具箱什么是蓝牙LE?

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