Inleiding tot Ultra-Wideband (UWB)-technologie

Leer de basisprincipes van het ultrabreedband korte-bereik draadloze protocol, een technologie die te vinden is in geavanceerde apparaten.

Ultra-wideband (UWB), een 132 jaar oude communicatie, wordt nu nieuw leven ingeblazen voor het draadloos verbinden van apparaten over korte afstanden. Veel waarnemers in de branche beweren dat UWB succesvoller zou kunnen zijn dan Bluetooth omdat het een superieure snelheid heeft, goedkoper is, minder stroom verbruikt, veiliger is en superieure locatiedetectie en apparaatbereik biedt.

Bedrijven zoals Intel, Time Domain, Apple, Huawei, Samsung, Xiaomi, NXP, Sony, Bosch en Xtreme Spectrum doen onderzoek naar en investeren in UWB-technologie. In feite biedt Apple al UWB-chips in zijn iPhone 11 die superieure positioneringsnauwkeurigheid mogelijk maken en variëren door middel van "Time of Flight" -meting.

In dit artikel behandelen we de basisprincipes van ultrabreedbandtechnologie, inclusief de oorsprong, voordelen en een uitgebreide kijk op transmissiemethoden.

Wat is UWB?

Ultra-wideband (UWB) is een draadloos communicatieprotocol op korte afstand, zoals Wi-Fi of Bluetooth, dat gebruik maakt van radiogolven van korte pulsen over een spectrum van frequenties variërend van 3,1 tot 10,5 GHz in niet-gelicentieerde toepassingen.

De term UWB wordt gebruikt voor een bandbreedte (BW) die groter of gelijk is aan 500 MHz of een fractionele bandbreedte (FBW) groter dan 20% waarbij FBW =BW/fc , waar fc is de middenfrequentie.

Geschiedenis van UWB

De geschiedenis van UWB-technologie gaat terug tot de tijd van de eerste door mensen gemaakte radio toen Marconi vonkbrugzenders (korte elektrische pulsen) gebruikte voor draadloze communicatie.

In 1920 werden UWB-signalen verboden voor commercieel gebruik. UWB-technologie was beperkt tot defensietoepassingen onder zeer geheime programma's voor veilige communicatie. Pas in 1992 kreeg UWB merkbare aandacht in de wetenschappelijke gemeenschap.

Ontwikkelingen in snelle microprocessors en snelle schakeltechnieken hebben UWB commercieel levensvatbaar gemaakt voor korteafstandscommunicatie tegen lage kosten. Vroege toepassingen omvatten radarsystemen, communicatie, consumentenelektronica, draadloze persoonlijke netwerken, lokalisatie en medische elektronica. Sindsdien is er gedetailleerde kennis ontwikkeld van UWB-elektromagnetische straling, componenten en systeemtechniek.

In 2002 was de Amerikaanse Federal Communication Commission (FCC) de eerste organisatie ter wereld die UWB-voorschriften uitvaardigde die het gebruik van het toegewezen spectrum zonder licentie mogelijk maakten. De toegestane vermogenslimiet was echter erg laag ingesteld om interferentie met andere technologieën die in deze frequentieband werken, zoals wifi, Bluetooth, enz. te voorkomen.

De lage spectrale dichtheid van UWB-signalen is aantrekkelijk, waardoor UWB minder vatbaar is voor interferentie in de band van andere smalbandsignalen en zeer veilig is omdat ze moeilijk te detecteren zijn vanwege de lage vermogensdichtheid.

De voordelen van ultrabreedbandtechnologie

De zeer brede bandbreedte van UWB-signalen zorgt voor superieure prestaties binnenshuis ten opzichte van traditionele smalbandsystemen.

Enkele van de kenmerken van deze bandbreedte worden hieronder uitgelicht:

• De brede bandbreedte biedt immuniteit tegen het kanaaleffect in een dichte omgeving en maakt zeer fijne tijd-ruimteresoluties mogelijk voor zeer nauwkeurige indoorpositionering van de UWB-knooppunten, bijvoorbeeld de nieuwe iPhone 11.
• De lage spectrale dichtheid, lager dan omgevingsgeluid, zorgt voor een lage kans op signaaldetectie en verhoogt de veiligheid van communicatie.
• Hoge datasnelheden kunnen over een korte afstand worden verzonden met UWB.
• UWB-systemen kunnen naast reeds geïmplementeerde smalbandsystemen bestaan.

UWB-transmissie

Er worden twee verschillende benaderingen gebruikt voor gegevensoverdracht:

• Ultrakorte pulsen in het picosecondebereik, die alle frequenties tegelijk bestrijken (ook wel impulsradio's genoemd)
• De totale UWB-bandbreedte onderverdelen in een reeks breedband Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)-kanalen

De eerste benadering is kosteneffectief ten koste van een verslechterde signaal-ruisverhouding. Over het algemeen is voor impulsradiotransmissie geen draaggolf nodig, wat een verminderde complexiteit betekent in vergelijking met traditionele smalbandtransceivers (d.w.z. eenvoudigere transceiverarchitectuur), aangezien het signaal rechtstreeks wordt uitgestraald via de UWB-antenne. Gauss-monocycle of een van zijn afgeleiden is een voorbeeld van een UWB-puls die gemakkelijk te genereren is.

De tweede benadering benut het spectrum efficiënter en biedt betere prestaties en gegevensdoorvoer ten koste van een grotere complexiteit (d.w.z. signaalverwerking vereist) en stroomverbruik.

De keuze tussen de twee benaderingen hangt af van de toepassingen.