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UWB超宽带定位工作原理详解:iPhone如何通过UWB实现物品防丢?

简介

超宽带无线电在更大的频谱范围内发送短信号脉冲。图4 上排为窄带通信,下排为超宽带通信例如,以5GHz为中心的uwb信号通常跨越4GHz和6GHz。宽信号允许UWB通常支持480Mbps的高无线数据速率,高达1.6Gbps,距离可达几米。在iPhone 11发布期间,苹果并没有提到这一特性,但苹果的网站上已经提到了这一点。与蓝牙和wi-fi一样,超宽带是一种使用无线电波的无线通信协议。

苹果新推出的iphone 11设备包括一款具有超宽带(UWB)技术的"U1"芯片。

这其实不是什么新技术,但这是第一次出现在现代智能手机上。

这不仅仅是关于iPhone,Android手机也可以获得UWB。

UWB的概念

超宽带(UWB)是无线网络中使用的一种通信方式,它使用低功耗来实现高带宽连接。

换句话说,它意味着在不使用太多功率的情况下,在短距离内传输大量数据。

Note:超宽带曾被称为脉冲无线电或数字无线脉冲,但现在被称为超宽带和超波段,或简称为超宽带。

超宽带无线电在更大的频谱范围内发送短信号脉冲。

这意味着数据一次通过多个频率信道传输,这种方法在超过500MHz的信道传输中很常见。

图2中展示出了一种典型的高斯双列接收uwb脉冲形状。

图2 高斯脉冲

这种脉冲通常用于超宽带系统,因为它的形状很容易产生。

超宽带脉冲通常是纳秒级或皮秒级。

图3显示出了高斯双列的频谱。

图3 高斯脉冲的频谱

由于超宽带系统是一种非常短的持续时间脉冲,所以可以更好的对付多径效应

超宽带系统的巨大带宽与其它传统的窄带NB系统相比,可以显示出许多重要的优势。

图4 上排为窄带通信,下排为超宽带通信

例如,以5GHz为中心的uwb信号通常跨越4GHz和6GHz。

宽信号允许UWB通常支持480Mbps的高无线数据速率,高达1.6Gbps,距离可达几米。

与扩频相比,超宽带的广泛使用意味着它不干扰同频段的其它传输,如窄带和载波传输。

从功耗角度看,UWB技术还有另一个优势。

由于将UWB信号的能量扩展到一个大频带上,天线可用的最大功率(作为UWB系统的一部分)将小到0.5mw。

与目前在不同无线电通信系统中使用的功率相比,这个功率是一个非常小的值。

图5显示了一些无线广播和通信系统的功率谱密度(PSD),如UWB、无线电、电视、2G蜂窝和WLAN。PSD被定义为在工作带宽上传输的总功率。

图5 不同通信系统的功率谱密度

UWB技术最重要的优点是系统复杂度低、成本低。

超宽带系统几乎可以"全数字化",使用最小的射频(RF)或微波电子。

低的组件计数会降低成本,而较小的芯片大小必然会导致低成本的系统。

Ultra-Wideband超宽带有什么用途?

在iPhone 11发布期间,苹果并没有提到这一特性,但苹果的网站上已经提到了这一点。正如苹果所言,超宽带技术提供了"空间感知"。

以下为苹果的广告语:

超宽频技术加入 iPhone。Apple全新设计的U1芯片采用超宽频技术,让iPhone 11具备空间感知能力,可感应附近其他配备U1芯片的Apple设备,并准确判断出彼此的位置关系。你可以把它想象成覆盖你家整个客厅的GPS,如果你希望通过隔空投送与人共享文件,只需用你的 iPhone对准他们的 iPhone,对方就会出现在列表最上方。

起初,苹果只宣传了一个uwb功能:你可以把你的iPhone指向别人的iPhone,Airdrop空投就会知道你可能想把东西寄给他们。

Airdrop使用了UWB技术。

而之前,你的iPhone只是用蓝牙来了解你周围的人。它不知道你在看谁,也不知道他们在哪里。

有了指向性,Airdrop空投就会变得更好。

换句话说:这项功能允许iPhone或任何其他实现它的智能手机精确地检测其他物体在物理空间中的位置。

这在今天的智能手机上是缺乏的。

UWB怎么工作?

与蓝牙和wi-fi一样,超宽带是一种使用无线电波的无线通信协议。

超宽带提供高带宽和低功率使用,但它只工作在短距离。

这就是为什么其他无线技术,如蓝牙和wi-fi仍然有用:它们的范围更长。

与"窄带"技术不同,UWB在更宽的频率(500MHz以上)传输数据。

蓝牙和wi-fi是在检测距离和位置方面不太行。

当然,一个信号更强的设备可能比一个信号较弱的设备更接近,但这是你所能检测到的全部。

但这样存在一个问题,就是信号可以被提升来欺骗系统。

iphone将测量信号的往返时间,不是依赖于信号强度,以确定它与另一台设备的距离。

通过多个天线,UWB还可以测量信号到达的角度。

精确的角度加上精确的距离意味着你的iPhone可以将物体定位到一个相当精确的空间位置。


苹果的u1芯片和超宽带将如何工作的,具体细节尚不清楚,因为该标准有不同的版本。

苹果公司还没有公布所有的技术规格。

不过,为工业环境提供超宽带室内定位服务的infsoft公司表示,其系统的精度在10-30厘米之间,而蓝牙信标的定位精度在1-3米之间,而wi-fi则在5-15米之间。

UWB在iPhone 11里做什么?

这项技术是iPhone 11、iPhone 11 Pro和iPhone 11 Pro的一部分。

更好地优先安排附近人员的空投共享,这只是UWB将提供的第一个功能。

根据苹果的说法,"这就像给iPhone增添了另一种感觉,它将带来令人惊叹的新功能。"

人们想到的最大的能力是跟踪物理物体。

据报道,苹果正在开发自己的硬件跟踪标签。

把它附加到一个物体上-比如你的钥匙链、钱包或袋子。

你可以用你的手机追踪物体的位置。据报道,这些将使用UWB,尽管苹果还没有正式宣布该产品。

在未来,UWB可以使iPhone在没有声音的情况下更精确地检测跟踪器。

换句话说,你的iPhone可以向你展示你的钥匙链可能掉进沙发靠垫里-甚至可以用增强现实向你展示屏幕上的位置。

这只是一个用途。

U1芯片是"超宽带革命的开始"。

智能技术可以精确地知道人类(携带超宽带(UWB)手机)在哪里。

跟踪器以外的设备可以更好地集成到增强现实应用程序中。

手机可以用于无钥匙的汽车进入-汽车可以使用超宽带来验证你站在它旁边,然后打开它的门。

超宽带可以使许多酷的新事物成为可能。

总结

这一功能首先出现在苹果的新iPhone上,但没有什么能阻止android手机实现类似的超宽带功能。

如果UWB被证明是有用的,我们预计Android手机制造商也会效仿,并将其包括在内,带来超宽带革命。

UWB在2002年之前,主要用于雷达、遥感等军事领域。现在,它已经开始走进手机、家庭、工厂等民用领域了。

超宽带技术说白了,就是通过对具有很陡上升下降时间的冲激脉冲进行直接调制,使信号具有GHz量级的带宽。


超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题,它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。


原文来自:通信M班长


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