Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 1): введение в технологию UWB и модуль UWB650

Цель этой главы – заложить теоретическую основу для глубокого понимания функций и производительности модуля UWB650. Глава начнётся с основных принципов технологии сверхширокополосной связи (СШП) и постепенно перейдёт к конкретной аппаратной реализации модуля UWB650, предоставляя инженерам основные знания и технические характеристики, необходимые для предварительной оценки.

1.1 Преимущества UWB: точное определение дальности на основе IEEE 802.15.4-2020

Сверхширокополосная связь (СШП) — это технология радиосвязи, основанная на стандартах IEEE 802.15.4a/z и характеризующаяся использованием очень широкой полосы пропускания сигнала (обычно более 500 МГц) для передачи чрезвычайно коротких импульсов наносекундного уровня. Эта особенность физического уровня является фундаментальным отличием СШП от традиционных узкополосных технологий связи, таких как Bluetooth и Wi-Fi, и напрямую обеспечивает СШП непревзойденное преимущество в точности определения дальности и позиционирования.

Технология UWB в первую очередь рассчитывает расстояние, измеряя время пролёта (Time-of-Flight, ToF). Принцип заключается в точном измерении времени, необходимого радиосигналу для прохождения сигнала между двумя устройствами, и последующем умножении этого времени на скорость света для получения физического расстояния между ними. Этот метод резко отличается от технологий, использующих индикатор уровня принятого сигнала (RSSI). RSSI оценивает расстояние на основе затухания мощности сигнала, которое сильно подвержено помехам от препятствий, эффекту многолучевого распространения и другим факторам окружающей среды, что приводит к снижению точности. ToF, с другой стороны, измеряет время напрямую и нечувствительно к изменениям уровня сигнала, демонстрируя тем самым более высокую надёжность и точность в сложных условиях внутри помещений или при наличии многолучевого распространения.

Модуль UWB650 соответствует стандарту IEEE 802.15.4-2020, который объединяет более ранние спецификации физического уровня 802.15.4a и поправку 802.15.4z, разработанную для повышения безопасности. Соответствие этому стандарту гарантирует, что модуль сможет использовать новейшие технологии безопасного определения дальности и обеспечит совместимость с другими устройствами, соответствующими спецификациям консорциума FiRa.

1.2 Архитектура оборудования: подробное рассмотрение UWB650 на базе Qorvo DW3000

Аппаратным ядром модуля UWB650 является UWB-чип серии DW3000 компании Qorvo (в частности, микросхема DW3210, интегрированная в модуль DWM3000). Этот чипсет полностью совместим со стандартом IEEE 802.15.4z, поддерживает UWB-канал 5 (центральная частота 6,5 ГГц) и канал 9 (центральная частота 8 ГГц) и обеспечивает две скорости передачи данных по воздуху: 850 кбит/с и 6,8 Мбит/с. Текущая версия прошивки модуля UWB650 ориентирована на приложения, использующие канал 5 (6489,6 МГц).

Модуль разработан как высокоинтегрированное решение. Его внутренняя структурная схема показывает, что, помимо основного чипа DW3000, он также включает в себя микроконтроллер (МК), высокопроизводительный усилитель мощности ВЧ (УМ), антенну и схемы защиты от электростатического разряда (ЭСР).

Архитектура системы-на-модуле (SoM) имеет важное значение. Она означает, что весь стек протоколов UWB, включая сложное управление импульсами на физическом уровне и управление синхронизацией на уровне MAC (например, DS-TWR), обрабатывается встроенным микроконтроллером. Внешней хост-системе достаточно использовать простой набор последовательных AT-команд для вызова расширенных функций, таких как определение дальности, позиционирование и передача данных. Это значительно снижает барьеры разработки, позволяя инженерам без глубоких знаний стека протоколов UWB быстро интегрировать и применять технологию.

Модуль подключается к внешним системам через интерфейсы контактов с четким определением контактов, что облегчает интеграцию оборудования.

Ключевые штифты включают в себя:

• Питание : VCC (3,0–5,5 В) и GND.

• Последовательная связь : RXD и TXD, используются для взаимодействия команд и данных с главным микроконтроллером.

• Управление оборудованием : RESET (сброс низкого уровня), DEFAULT (длительное удержание низкого уровня для восстановления заводских настроек), CS (низкий уровень для перехода в спящий режим) и UPGRADE (низкий уровень для перехода в режим обновления прошивки).

• Индикаторы состояния : TXOK (высокий во время передачи данных), RXOK (высокий во время приема данных) и P011 (высокий во время определения дальности/позиционирования), которые обеспечивают аппаратную поддержку для мониторинга состояния в реальном времени.

1.3 Основные эксплуатационные характеристики и параметры

Параметры производительности модуля UWB650 определяют его пригодность для конкретных применений. Подробная информация об этих параметрах критически важна для планирования энергопотребления, управления питанием и оценки производительности на ранних этапах проектирования системы.

Высокая мощность передачи модуля, до 27,7 дБм (~0,5 Вт), является ключом к его способности общаться на расстояниях более 1 километра. Однако эта функция имеет разные эффекты в разных сценариях применения. В открытых средах, требующих связи на больших расстояниях, высокая мощность является значительным преимуществом. Но в приложениях позиционирования на близких расстояниях (например, в пределах 1 метра), где требуется точность на уровне сантиметра, чрезмерная мощность может усугубить отражения сигнала, создавая более сильные эффекты многолучевого распространения, которые могут привести к дрейфу данных о дальности и снижению точности. В часто задаваемых вопросах модуля четко указано, что при использовании на близких расстояниях рекомендуется соответствующим образом уменьшать мощность передачи с помощью команды UWBRFAT+POWER для устранения эффектов многолучевого распространения. Это выявляет критический компромисс производительности: проектировщики систем должны делать выбор и динамически корректировать между дальностью связи и точностью ближнего поля на основе конкретных потребностей приложения.

Таблица параметров производительности UWB650

В следующей таблице обобщены основные электрические и радиочастотные параметры модуля UWB650, что позволяет быстро получить справочную информацию для оценки и проектирования оборудования.

Модуль использует формат кадра данных, соответствующий стандарту IEEE 802.15.4-2020 для передачи данных по беспроводному каналу связи. Этот формат включает такие поля, как управление кадром, порядковый номер, идентификатор PAN, адрес назначения, адрес источника, полезная нагрузка кадра и контрольная последовательность кадра (FCS). Для разработчиков прикладного уровня основное внимание уделяется разделу полезной нагрузки кадра. Данные, поступающие через последовательный порт, инкапсулируются в этот раздел для передачи, а для данных, полученных по беспроводной связи, модуль выводит только содержимое полезной нагрузки кадра через последовательный порт. Остальные поля протокола автоматически управляются встроенным ПО модуля и не могут быть изменены пользователем.

Углубленный анализ серии модулей UWB650

• Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 1): введение в технологию UWB и модуль UWB650

• Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 2): освоение основных функций: настройка и использование

• Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 3): расширенные функции и обслуживание системы

• Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 4): калибровка задержки антенны, рекомендации и передовой опыт развертывания модуля

• Углубленный анализ модуля UWB650 (часть 5): команды настройки