简单的科普一下UWB

测距、定位，大家都使用的是什么方法？激光雷达、摄像头、GPS？近日，妮姐收到了一组UWB模块，据说可以达到厘米级的精准定位。到底是不是这么精准，先上效果展示：

什么是UWB？

很多小伙伴可能不了解UWB，所以在介绍这对模块之前，简单的科普一下UWB。

UWB，是Ultra Wide Band的缩写，超宽带，是一种无线载波通信技术。我第一次听到UWB的时候，就在想WIFI、蓝牙、Zigbee等同样是无线通信技术，和UWB有什么不同呢？

既然聊到通信，那就得先说说带宽和频谱。学过通信原理的都知道，我们现在通信中使用的无线电波，按照一定速度起伏波动的电磁场，而这个起伏波动的速度，也就是频率，单位是Hz，也就是一秒钟波动几次的意思。电磁波的频率有一个非常宽的范围，从每秒钟1次这种低速，到每秒钟上亿次这样的超高速都是存在的，因此就有了频谱——从每秒几KHz到几百GHz。

而带宽是指在一个频率范围内的信号，所以一个信号的频率范围有多宽，就是这个信号的带宽，简单理解为带宽越宽的信号传输速度越快。

像4G通信标准的一个信道带宽通常是10MHz到20MHz，WIFI一般是40MHz或者80MHz，到了WIFI8才有160MHz，而UWB 超带宽可以在3.1-10.6GHz频段达到500MHz以上。

占用这么奢侈的带宽，其实为的就是简单、快。像4G、WIFI主要为了大量传输数据的通信标准，为了最大限度利用比较窄的带宽，通常会采用比较复杂的调制方式，这样的调制方式，通常会加大解调的压力，增加传输延迟，而UWB在很宽的频带上对一系列纳秒级的脉冲进行简单粗暴的调制，虽然让传输的数据量减小了，但延迟和功耗也大大降低。

上面的表格，可以更加清晰的看出UWB和WIFI、蓝牙、Zigbee的优缺点对比，在定位精度上，UWB优势明显！

超小尺寸、高度集成UWB模块

下面我们就来看看村田的Type 2AB UWB模块里都有什么。这个模块的尺寸虽然仅有10.5*8.3*1.44mm，但集成度非常高，内部有UWB收发器IC QM33120W、蓝牙SoC nRF53840（内置Cortex-M4内核）和加速度传感器 LIS2DW12TR。这小的尺寸集成这么多器件，也是没谁了！

UWB收发器IC可以与其他UWB模块通信，蓝牙SoC进行数据处理以及后续的控制操作，内置的加速度传感器可以测量模块当前的3轴数据，蓝牙SoC也可以根据数据做处理。

我们在选通信模块时，最看中的莫过于抗电磁干扰性能要强。这个UWB模块厉害在它封装上，采用的是树脂封装表面溅镀技术。

树脂可以将各个组件塑封，通过溅镀的方式在树脂表面覆盖金属层，相当带了一个金属层的外壳，这样可以很好的实现电磁屏蔽，抗干扰性能强，同时也有比较高的可靠性和耐腐蚀性。

UWB实测测距

基于Type 2AB UWB模块，村田设计了Demo评估板，就是文章开头演示使用的板卡。

Demo板通过SWD接口对蓝牙SoC芯片进行调试，供电可以选择外部3.3v供电或者通过USB接口供电。板卡上两个USB接口，其中J6用于nRF52840 USB接口通信，J14用于nRF52840 UART接口通信。此外，板子上也将nRF52840芯片的GPIO引脚都引出来，方便我们去做自己的项目开发。

Demo板最重要的UWB天线、蓝牙天线内置在板子中。

虽然板子从外观看，功能貌似很简单，但从天线、整体PCB布局布线等细节上看，村田工程师还是花了不少心思的。

实现UWB测距演示，需要两个Demo板配合，其中一块设置为Tag，一块设置为Node。这里我们展示一下PDoA测距。

PDoA(Phase-Difference-of-Arrival)，常规叫法是信号到达相位差PD

oA测距算法，或者说接收信号相位差PDoA定位算法，是一种室内定位算法，通过测量相位差求出信号往返的传播时间，来计算往返距离。

Demo板还可以展示TWR双向测距，感兴趣的同学也可以了解下：

TWR(Two-Way-Ranging)，双向测距。两个UWB模块A、B，其中A先发出信号，B收到后再发回一个应答，A接收这个应答，完成一次测距。

在A和B每一次发送数据和收到数据的时候，记录当前时间戳，通过时间戳相减就可以得到传输的时间，从而得出距离。

PDoA测距步骤：

☞配置Tag板：

1）设置跳线，及使用USB连接J6与PC：正确设置板卡电源跳线。

2）烧写固件：妮姐拿到的Demo板已经烧写了测距Demo firmware，这里就不描述怎么烧写下载了，如果有机会拿到这套Demo，大家可以试试烧写。

3）配置这块Demo板为Tag角色：（单天线适配器）

- 电脑上打开串口调试工具，并按照：115200/8/N/1 ，设置串口；

- 在串口输入命令： • stop • uwbcfg 9 64 8 9 9 1 6810 0 0 65 9 256 3 (设置信道9) • txpower 0x51515151 0x27 0x00 (设置电源模式) • tag

• save

☞连接到PDoANode

1）将Node Demo板通过J6连接到PC上，电源跳线如Tag板设置一样。

2）在PC上打开 PDoA GUI：

3）在“Tag”列表中，选中“Joined”对话框

4）Tag板就可以出现在GUI画面中了

5）移动Tag板，可以看到GUI上的标记也在移动

☞测试结果

两块UWB板卡实际距离：0.25m，GUI显示：0.32m

两块UWB板卡实际距离：0.67m，GUI显示：0.66m

Node板接收Tag板发射的超宽带射频信号，并进行的处理、显示。与实际测量到两个Demo板的真实距离相比，GUI上显示的距离误差在10cm以内，可以看出这套UWB Demo的精度测距还是非常准确的。

GUI上显示的x，y的值，其实是Tag板相对于Node板（原点）的位置。根据反三角函数，即可达到Tag板相对于Node板的位置角度。

我们测试了一组数据，与真实角度做对比。根据测量的x、y数据，经计算得到相对角度约为40°，真实的角度约为35°，误差在标准范围内。由于空间有限，没能做更远距离的测试，有幸拿到这套demo的小伙伴，期待你们的测试结果哦。

总结

UWB本身不是新技术，最早出现在上个世纪60年代，主要用于军事雷达，直到2000年左右，解除了民用限制之后，UWB进入高速发展阶段。iPhone11的发布，算是让大众记住了UWB技术，随后国产手机也开始增加UWB。

除了在手机中应用，UWB还是有非常多的发挥空间的，比如可以做UWB自动门禁，实现精准自动开门；智能家居中，自动开门、打开家用电器等等。总而言之，传数据、定位，两者结合，就有了UWB未来广阔的应用空间。

审核编辑：刘清