Detaillierte Analyse des UWB650-Moduls (Teil 1): Einführung in die UWB-Technologie und das UWB650-Modul

Dieses Kapitel legt die theoretischen Grundlagen für ein umfassendes Verständnis der Funktionen und Leistung des UWB650-Moduls. Es beginnt mit den Grundlagen der Ultrabreitband-Technologie (UWB) und konzentriert sich schrittweise auf die spezifische Hardwareimplementierung des UWB650-Moduls. Ingenieure erhalten so das grundlegende Hintergrundwissen und die technischen Spezifikationen, die für eine vorläufige Bewertung erforderlich sind.

1.1 UWB-Vorteile: Präzise Entfernungsmessung basierend auf IEEE 802.15.4-2020

Ultrabreitband (UWB) ist eine Funktechnologie auf Basis der IEEE 802.15.4a/z-Standards. Sie zeichnet sich durch die Nutzung einer sehr großen Signalbandbreite (typischerweise über 500 MHz) zur Übertragung extrem kurzer Impulse im Nanosekundenbereich aus. Diese Eigenschaft der Bitübertragungsschicht ist der grundlegende Unterschied zwischen UWB und herkömmlichen Schmalband-Kommunikationstechnologien wie Bluetooth und WLAN und verschafft UWB einen beispiellosen Präzisionsvorteil bei der Entfernungsmessung und Positionierung.

Die UWB-Technologie berechnet Entfernungen in erster Linie durch Messung der Laufzeit (ToF). Das Prinzip besteht darin, die Zeit, die ein Funksignal für die Übertragung zwischen zwei Geräten benötigt, genau zu messen und diese dann mit der Lichtgeschwindigkeit zu multiplizieren, um die physikalische Entfernung zwischen den Geräten zu ermitteln. Diese Methode steht im krassen Gegensatz zu Technologien, die auf dem Received Signal Strength Indicator (RSSI) basieren. RSSI schätzt die Entfernung anhand der Dämpfung der Signalstärke, die sehr anfällig für Störungen durch Hindernisse, Mehrwegeeffekte und andere Umweltfaktoren ist, was zu einer geringeren Genauigkeit führt. ToF hingegen misst die Zeit direkt und ist unempfindlich gegenüber Änderungen der Signalstärke. Dadurch ist es robuster und genauer in komplexen Innenräumen oder Mehrwegeumgebungen.

Das UWB650-Modul entspricht dem IEEE 802.15.4-2020-Standard, der die früheren Spezifikationen der physikalischen Schicht 802.15.4a und die für erhöhte Sicherheit vorgesehene Ergänzung 802.15.4z integriert. Diese Standardkonformität stellt sicher, dass das Modul die neuesten sicheren Entfernungstechnologien nutzen kann und die Möglichkeit der Interoperabilität mit anderen Geräten bietet, die den Spezifikationen des FiRa-Konsortiums entsprechen.

1.2 Hardwarearchitektur: Ein tiefer Einblick in das auf Qorvo DW3000 basierende UWB650

Der Hardwarekern des UWB650-Moduls ist der UWB-Chip der DW3000-Serie von Qorvo (genauer gesagt der im DWM3000-Modul integrierte DW3210-IC). Dieser Chipsatz ist vollständig konform mit dem IEEE 802.15.4z-Standard, unterstützt UWB-Kanal 5 (Mittenfrequenz 6,5 GHz) und Kanal 9 (Mittenfrequenz 8 GHz) und bietet zwei drahtlose Datenraten: 850 kbit/s und 6,8 ​​Mbit/s. Die aktuelle Firmware-Version des UWB650-Moduls konzentriert sich auf Anwendungen mit Kanal 5 (6489,6 MHz).

Das Modul ist als hochintegrierte Lösung konzipiert. Sein internes Blockdiagramm zeigt, dass es neben dem Kernchip DW3000 auch einen Mikrocontroller (MCU), einen Hochleistungs-HF-Leistungsverstärker (PA), eine Antenne und Schutzschaltungen gegen elektrostatische Entladung (ESD) integriert.

Diese System-on-Module (SoM)-Designarchitektur ist bedeutsam. Sie bedeutet, dass der gesamte UWB-Protokollstapel, einschließlich der komplexen Impulssteuerung der Bitübertragungsschicht und des Zeitmanagements der MAC-Schicht (wie DS-TWR), von der integrierten MCU verwaltet wird. Das externe Hostsystem benötigt lediglich einen einfachen seriellen AT-Befehlssatz, um erweiterte Funktionen wie Entfernungsmessung, Positionierung und Datenübertragung aufzurufen. Dies senkt die Entwicklungshürde erheblich und ermöglicht es Ingenieuren ohne tiefgreifende Kenntnisse des UWB-Protokollstapels, die Technologie schnell zu integrieren und anzuwenden.

Das Modul wird über Pin-Schnittstellen mit externen Systemen verbunden, wobei klare Pin-Definitionen die Hardware-Integration erleichtern.

Zu den wichtigsten Pins gehören:

• Stromversorgung : VCC (3,0–5,5 V) und GND.

• Serielle Kommunikation : RXD und TXD, verwendet für die Befehls- und Dateninteraktion mit der Host-MCU.

• Hardwaresteuerung : RESET (Low-Level-Reset), DEFAULT (Low-Level-Taste lange gedrückt halten, um die Werkseinstellungen wiederherzustellen), CS (Low-Level, um in den Ruhemodus zu wechseln) und UPGRADE (Low-Level, um in den Firmware-Upgrade-Modus zu wechseln).

• Statusanzeigen : TXOK (hoch während der Datenübertragung), RXOK (hoch während des Datenempfangs) und P011 (hoch während der Entfernungsmessung/Positionierung), die Hardware-Unterstützung für die Statusüberwachung in Echtzeit bieten.

1.3 Wichtige Leistungsspezifikationen und Betriebsparameter

Die Leistungsparameter des UWB650-Moduls bestimmen seine Eignung für bestimmte Anwendungen. Detaillierte Informationen zu diesen Parametern sind für die Energiebudgetierung, das Energiemanagement und die Leistungsbewertung in den frühen Phasen des Systemdesigns von entscheidender Bedeutung.

Die hohe Sendeleistung des Moduls von bis zu 27,7 dBm (~0,5 W) ist entscheidend für seine Fähigkeit, über Entfernungen von mehr als einem Kilometer zu kommunizieren. Diese Funktion wirkt sich jedoch in verschiedenen Anwendungsszenarien unterschiedlich aus. In offenen Umgebungen, die eine Kommunikation über große Entfernungen erfordern, ist eine hohe Leistung ein erheblicher Vorteil. Bei Positionierungsanwendungen im Nahbereich (z. B. innerhalb eines Meters), bei denen eine Genauigkeit im Zentimeterbereich erforderlich ist, kann eine übermäßige Leistung jedoch Signalreflexionen verschlimmern und stärkere Mehrwegeeffekte verursachen, die zu einer Abweichung der Entfernungsdaten und einer verringerten Genauigkeit führen können. In den häufig gestellten Fragen zum Modul wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass bei Verwendung im Nahbereich empfohlen wird, die Sendeleistung über den Befehl UWBRFAT+POWER entsprechend zu reduzieren, um Mehrwegeeffekte zu mildern. Dies offenbart einen kritischen Leistungskompromiss: Systementwickler müssen basierend auf den spezifischen Anforderungen der Anwendung Entscheidungen und dynamische Anpassungen zwischen Kommunikationsdistanz und Nahfeldgenauigkeit treffen.

UWB650 Leistungsparametertabelle

Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten elektrischen und HF-Leistungsparameter des UWB650-Moduls zusammen und bietet eine Kurzreferenz für die Hardwarebewertung und das Design.

Das Modul verwendet für die Kommunikation über die drahtlose Verbindung ein Datenrahmenformat gemäß dem Standard IEEE 802.15.4-2020. Dieses Format umfasst Felder wie Frame Control, Sequenznummer, PAN-ID, Zieladresse, Quelladresse, Frame Payload und Frame Check Sequence (FCS). Für Entwickler der Anwendungsschicht liegt der Fokus auf dem Frame Payload-Bereich. Über die serielle Schnittstelle eingegebene Daten werden zur Übertragung in diesen Bereich gekapselt. Bei drahtlos empfangenen Daten gibt das Modul nur den Inhalt des Frame Payload über die serielle Schnittstelle aus. Die restlichen Protokollfelder werden automatisch von der Firmware des Moduls verwaltet und können vom Benutzer nicht geändert werden.

Detaillierte Analyse der UWB650-Modulserie

• Detaillierte Analyse des UWB650-Moduls (Teil 1): Einführung in die UWB-Technologie und das UWB650-Modul

• Detaillierte Analyse des UWB650-Moduls (Teil 2): ​​Beherrschung der Kernfunktionen: Konfiguration und Nutzung

• Detaillierte Analyse des UWB650-Moduls (Teil 3): Erweiterte Funktionen und Systemwartung

• Detaillierte Analyse des UWB650-Moduls (Teil 4): Kalibrierung der Antennenverzögerung und Überlegungen sowie bewährte Methoden zur Modulbereitstellung

• Detaillierte Analyse des UWB650-Moduls (Teil 5): Konfigurationsbefehle