Ultra-Wideband (UWB) — это технология беспроводной связи, использующая сверхширокополосные сигналы для передачи данных, представляющие собой серию коротких радиоимпульсов длительностью меньше 1 нс, имеющих крайне низкую спектральную плотность. Технология позволяет передавать данные на небольшие расстояния при низком энергопотреблении. В отличие от классических узкополосных технологий (Wi-Fi, Bluetooth), UWB работает в очень широком диапазоне частот (от 500 МГц до нескольких ГГц), что обеспечивает высокую помехоустойчивость и точность.
Одна из сфер применения технологии UWB – системы локального позиционирования (RTLS). С ее помощью можно определять расстояния между объектами с точностью до 10 см. Микросхема DW1000 — это полностью интегрированный однокристальный маломощный и недорогой приемопередатчик, соответствующий стандарту IEEE802.15.4-2011 и позволяющий реализовать обмен данными по технологии UWB. Его можно использовать в системах определения местоположения, основанных на методах TWR (Two-Way Ranging) или TDoA (Time Difference of Arrival). Он также поддерживает передачу данных со скоростью до 6,8 Мбит/с
Основные характеристики чипа:
- Соответствие стандарту IEEE802.15.4-2011
- Поддержка 6 радиочастотных диапазонов от 3,5 ГГц до 6,5 ГГц
- Программируемая выходная мощность передатчика
- Полностью когерентный приемник для максимальной дальности и точности
- Спектральная маска UWB соответствует требованиям FCC & ETSI
- Напряжение питания от 2,8 В до 3,6 В
- Низкое энергопотребление
- Ток в режиме ожидания 1 мкА
- Ток в режиме глубокого сна 50 нА
- Скорость передачи данных 110 кбит/с, 850 кбит/с, 6,8 Мбит/с
- Максимальная длина пакета 1023 Байта для приложений с высокой пропускной способностью
- Встроенные функции поддержки MAC
- Поддержка TWR и TDOA
- Интерфейс SPI для подключения к хост-контроллеру
- Небольшое количество внешних компонентов
Основные преимущества:
- Точное определение местоположения (до 10 см) и одновременная передача данных
- Дальность связи до 290 м при скорости 110 кбит/с
- Высокая устойчивость к многолучевым помехам
- Поддерживает высокую плотность меток в протоколах RTLS
- Длительное время автономной работы
Рассмотрим структурную схема чипа DW1000:
DW1000 состоит из аналогового интерфейса, содержащего приемник и передатчик, и цифрового интерфейса, который подключается к хост-контроллеру. Переключатель TX/RX используется для подключения приемника или передатчика к антенному выходу. Микросхема содержит встроенный датчик температуры и напряжения питания.
Приемник состоит из радиочастотного интерфейса, который усиливает принимаемый сигнал с помощью малошумящего усилителя, а затем преобразует его непосредственно в основную полосу частот. Приемник обеспечивает широкую полосу пропускания, линейность и низкий коэффициент шума. Это позволяет производить оцифровку сигнала по всем поддерживаемым UWB-каналам с минимальными искажениями. Оцифрованные данные могут быть получены хост-контроллером через SPI-интерфейс.
Передаваемая последовательность импульсов формируется путем подачи цифрового кодированного передаваемого сигнала на аналоговый генератор импульсов. Затем последовательность импульсов переносится на несущую частоту с помощью балансного смесителя двойного преобразования, где несущая генерируется синтезатором частот и центрируется на одном из разрешенных каналов UWB. Модулированный RF-сигнал усиливается перед передачей через внешнюю антенну.
Микросхема содержит встроенную однократно программируемую память (OTP — One-Time Programmable). Эта память может использоваться для хранения калибровочных данных, таких как уровень мощности передатчика (TX power level), коррекция начальной частоты кварцевого резонатора (crystal initial frequency error adjustment) и корректировка точности измерения дальности (range accuracy adjustment).
Память Always-On (AON) может использоваться для сохранения конфигурационных данных DW1000 в режимах с минимальным энергопотреблением, когда встроенные стабилизаторы напряжения отключены. Данные автоматически загружаются и выгружаются. Использование памяти AON в DW1000 является настраиваемым параметром.
Схема тактирования DW1000 построена на основе 3 основных блоков:
- Генератор на кварцевом резонаторе (Crystal Oscillator)
- Фазовая подстройка частоты для тактового сигнала (Clock PLL)
- Фазовая подстройка частоты для радиочастотного тракта (RF PLL)
Встроенный генератор микросхемы предназначен для работы на частоте 38,4 МГц с использованием внешнего кварцевого резонатора. В качестве альтернативы кварцу может быть подан внешний тактовый сигнал частотой 38,4 МГц, если имеется достаточно стабильный источник тактирования.
Тактовый сигнал 38,4 МГц используется в качестве опорной частоты для двух встроенных схем фазовой автоподстройки частоты (PLL):
- Clock PLL (обозначаемая как CLKPLL) — формирует тактовый сигнал, необходимый цифровому блоку для обработки сигналов
- RF PLL – генерирует:
- Сигнал гетеродина (LO) для понижающего преобразования в приемном тракте
- Сигнал гетеродина для повышающего преобразования в передающем тракте
Дополнительно предусмотрен внутренний генератор на 13 кГц, используемый в режиме SLEEP (пониженного энергопотребления).
Интерфейс взаимодействия с хост-устройством включает:
- SPI—интерфейс (только slave-режим) — используется для обмена данными и конфигурации устройства.
- Реализованные MAC-функции:
- Генерация контрольной суммы (CRC)
- Проверка контрольной суммы (CRC checking)
- Фильтрация принимаемых кадров (receive frame filtering)
Поддерживаемые каналы и полосы пропускания
DW1000 поддерживает следующие шесть каналов UWB согласно стандарту IEEE 802.15.4-2011:
| Номер канала UWB | Центральная частота (МГц) | Диапазон частот (МГц) | Полоса пропускания (МГц) |
|---|---|---|---|
| 1 | 3494.4 | 3244.8 – 3744 | 499.2 |
| 2 | 3993.6 | 3774 – 4243.2 | 499.2 |
| 3 | 4492.8 | 4243.2 – 4742.4 | 499.2 |
| 4 | 3993.6 | 3328 – 4659.2 | 1331.2* |
| 5 | 6489.6 | 6240 – 6739.2 | 499.2 |
| 7 | 6489.6 | 5980.3 – 6998.9 | 1081.6* |
* DW1000 имеет максимальную полосу пропускания приемника приблизительно 900 МГц.
Поддерживаемые скорости передачи данных и частоты повторения импульсов (PRF)
DW1000 поддерживает стандартные скорости передачи данных 110 кбит/с, 850 кбит/с и 6,81 Мбит/с. Номинальные значения частоты повторения импульсов (PRF) – 16 и 64 МГц.
| Частота повторения импульсов PRF (МГц) | Скорость передачи данных (Мбит/с) |
|---|---|
| 16 | 0.11 |
| 16 | 0.85 |
| 16 | 6.81 |
| 64 | 0.11 |
| 64 | 0.85 |
| 64 | 6.81 |
* Фактические средние значения PRF для синхронизации немного выше, чем для других частей кадра. Средние значения PRF составляют 16,1/15,6 МГц и 62,89/62,4 МГц, которые здесь номинально обозначаются как 16 и 64 МГц. Подробные сведения о пиковых и средних значениях PRF приведены в стандарте IEEE802.15.4-2011.
Более низкие скорости передачи данных обеспечивают повышенную чувствительность приемника (лучшее распознавание слабых сигналов), увеличенный запас по связи и бОльшую дальность. Однако это приводит к увеличенной длительности кадров, большему времени занятия эфира и снижению количества отдельных передач в единицу времени.
Частота повторения импульсов 16 МГц обеспечивает незначительное снижение энергопотребления передатчика по сравнению с PRF 64 МГц. При использовании PRF 16 МГц и 64 МГц на одном и том же физическом устройстве при использовании разных кодов преамбулы могут возникать некоторые помехи, поскольку, хотя коды преамбулы имеют низкую взаимную корреляцию, они не ортогональны.
Структура кадров UWB
Кадры UWB имеют следующую структуру:
Кадр состоит из заголовка синхронизации (SHR), который включает символы преамбулы и разделитель начала кадра (SFD), за которыми следуют заголовок PHY (PHR) и данные. Поле данных (MPDU) обычно содержит длину передаваемых данных в байтах и включает 48 битов четности Рида-Соломона на каждый блок из 330 бит данных (или меньше).
Максимальная стандартная длина фрейма составляет 127 байт, включая 2-байтовую FCS.
Более подробное описание структуры кадра UWB можно найти в стандарте IEEE802.15.4-2011.
Тайминги символов
В стандарте UWB длительности временных интервалов выражаются целым числом символов. Это соглашение принято в документации к чипу DW1000. Длительность символов варьируется в зависимости от скорости передачи данных, частоты повторения импульсов и полей кадра.
В таблице ниже приведена длительность символов DW1000 для всех таймингов символов, поддерживаемых DW1000.
| Частота повторения импульсов PRF (МГц) | Скорость передачи данных (Мбит/с) | SHR (нс) | PHR (нс) | Data (нс) |
|---|---|---|---|---|
| 16 | 0.11 | 993.59 | 8205.13 | 8205.13 |
| 16 | 0.85 | 993.59 | 1025.64 | 1025.64 |
| 16 | 6.81 | 993.59 | 1025.64 | 128.21 |
| 64 | 0.11 | 1017.63 | 8205.13 | 8205.1 |
| 64 | 0.85 | 1017.63 | 1025.64 | 1025.6 |
| 64 | 6.81 | 1017.63 | 1025.64 | 128.21 |
Проприетарная длина кадров
Чип DW1000 поддерживает проприетарный режим длинных кадров, позволяющий передавать кадры размером до 1023 байт (в отличие от стандартных 127 байт в IEEE 802.15.4 UWB). Это требует специальной кодировки PHY Header (PHR), несовместимой со стандартными UWB-устройствами.
Фильтрация кадров
Фильтрация кадров позволяет приемнику автоматически отбрасывать кадры, которые не соответствуют определенному набору критериев. DW1000 имеет ряд настраиваемых критериев фильтрации кадров, позволяющих выбирать типы кадров, которые следует принимать или отбрасывать.
Вычисление и проверка контрольной суммы
DW1000 включает в себя функцию генерации CRC, способную автоматически вычислять и добавлять 16-битную последовательность проверки кадров CRC (FCS) в конце каждого передаваемого кадра.
DW1000 также включает в себя функцию проверки CRC, способную автоматически вычислять 16-битную последовательность проверки кадров CRC (FCS) во время приема кадра и сравнивать этот вычисленный CRC с последними двумя октетами принятого кадра, чтобы убедиться, что вычисленный CRC совпадает с CRC, переданным отправителем кадра.
Синтезатор
DW1000 содержит 2 синтезатора частот: RF PLL, который используется в качестве гетеродина для передачи сигналов TX и RX, и CLK PLL, который используется в качестве системных тактовых импульсов. Оба этих синтезатора полностью интегрированы, за исключением внешних пассивных контурных фильтров 2-го порядка. Значения компонентов для этих контурных фильтров не меняются независимо от используемого радиочастотного канала.
Приемник
Приемник может быть настроен на работу в одном из двух режимов полосы пропускания: 500 МГц или 900 МГц.
Для обеспечения оптимальной работы приемника предусмотрена автоматическая регулировка усиления, позволяющая регулировать коэффициент усиления приемника в зависимости от изменения сигнала и условий окружающей среды. DW1000 отслеживает уровень принимаемого сигнала и выполняет соответствующие автоматические настройки для поддержания оптимальной работы приемника.
Передатчик
Мощность передачи DW1000 полностью регулируется, как и ширина спектра передачи, что обеспечивает соответствие применимым нормативным стандартам, таким как FCC и ETSI. Для достижения максимальной дальности мощность передачи должна быть установлена таким образом, чтобы эквивалентная излучаемая мощность на антенне была как можно ближе к максимально допустимому в большинстве регионов значению -41,3 дБм/МГц.
Передатчик может быть сконфигурирован для работы в широком диапазоне полос пропускания.
Также есть возможность корректировки формы спектра передаваемого сигнала для компенсации влияния печатной платы и внешних компонентов, чтобы обеспечить оптимальную спектральную маску передаваемого сигнала.
Порты ввода-вывода общего назначения (GPIO)
Микросхема DW1000 имеет 8 программируемых пользователем GPIO-выводов. После сброса все GPIO-выводы работают как входы. При соответствующей настройке входы GPIO могут генерировать прерывания для главного процессора через сигнал IRQ. Некоторые GPIO-выводы имеют дополнительные функции. Выводы GPIO 0-3 могут использоваться для управления светодиодами, индицирующими состояние работы микросхемы. GPIO 5-6 могут быть использованы для настройки режима работы SPI-интерфейса. Выводы GPIO 4-6 могут подключаться к внешнему усилителю мощности для увеличения выходной мощности передачи сверх возможностей DW1000.
Память
DW1000 включает в себя ряд доступных пользователю модулей памяти:
Буферы приема и передачи данных
Буферы используются для хранения принятых данных, которые могут быть считаны хост-контроллером из DW1000, данных для передачи, записываемых хост-контроллером в DW1000. Размеры буферов следующие:
| Буфер | Размер (бит) | Описание |
|---|---|---|
| Tx Buffer | 1024 x 8 | Буфер передаваемых данных. Содержит данные, записанные хост-контроллером для передачи в эфир |
| Rx Buffer | 1024 x 8 x 2 | Буфер приема. Содержит данные, принятые из эфира, которые могут быть считаны хост-контроллером через SPI-интерфейс. Имеет двойную буферизацию, что позволяет приемнику получать новый пакет данных, пока хост-контроллер обрабатывает предыдущий |
Накопительная память
Накопительная память используется для хранения оценки импульсной характеристики канала (Channel Impulse Response — CIR).
| Память | Размер (бит) | Описание |
|---|---|---|
| Accumulator | 1016 x 32 | Накопительный буфер. Используется для хранения данных оценки импульсной характеристики канала, которые могут быть дополнительно считаны хост-контроллером |
Однократно программируемая память (OTP) для калибровки
Микросхема DW1000 содержит OTP-память, предназначенную для хранения индивидуальных калибровочных данных чипа.
| Память | Размер (бит) | Описание |
|---|---|---|
| Calibration | 56 x 32 | OTP-память, предназначенная для хранения индивидуальных калибровочных данных чипа. |
Прерывания и состояние устройства
В DW1000 есть несколько событий прерывания, которые можно настроить для управления выводом IRQ. Вывод IRQ по умолчанию находится в активном состоянии.
Временная метка
DW1000 генерирует временные метки передачи и фиксирует временные метки приема. Эти временные метки представляют собой 40-разрядные значения с номинальным разрешением 64 ГГц, что обеспечивает точность синхронизации событий приблизительно в 15 пс. Эти временные метки позволяют выполнять расчеты дальности.
Задержка антенны
Для точного измерения дальности требуется точный расчет временных меток. Для этого необходимо знать задержку антенны. DW1000 позволяет откалибровать эту задержку и предоставляет возможность компенсировать задержки, связанные с особенностью монтажа компонентов на печатной плате, антенной и внутренними задержками DW1000. Для калибровки задержки антенны дальность измеряется на известном расстоянии с помощью 2 систем DW1000. Задержка антенны регулируется до тех пор, пока измеренное расстояние и заявленная дальность не совпадут. Задержка антенны может быть сохранена в памяти OTP. Калибровка задержки антенны должна выполняться в качестве разового измерения для каждой конструктивной реализации DW1000. При необходимости, для большей точности, следует выполнять калибровку задержки антенны на каждой печатная плате/модуле DW1000.
Калибровка передатчика
Для обеспечения максимальной дальности спектральная плотность мощности передачи (PSD) DW1000 должна быть установлена на максимально допустимое значение для данного географического региона. Для большинства регионов это значение составляет -41,3 дБм/МГц. DW1000 обеспечивает возможность регулировки мощности передачи с большим и меньшим шагом; номинально 3 дБ и 0,5 дБ. Он также предоставляет возможность регулировки спектральной полосы пропускания. Эти настройки можно использовать для максимального увеличения мощности передачи при соблюдении нормативной спектральной маски. При необходимости следует выполнить калибровку передачи на каждой печатной плате/модуле DW1000.
Внешняя синхронизация
В DW1000 предусмотрен вход для синхронизации SYNC. Это обеспечивает:
- Синхронизацию временных меток между несколькими чипами DW1000
- Передачу сигналов, синхронных с внешним опорным генератором
- Фиксацию временных меток приёма, синхронных с внешним счётчиком.
Входной сигнал синхронизации от хост-системы обеспечивает общую временную точку отсчета для синхронизации всех устройств с точностью, необходимой для определения местоположения с высоким разрешением.
Принципиальная схема применения DW1000
Более подробную информацию о чипе DW1000 можно получить из технической документации (DW1000 Data Sheet) и руководства пользователя (DW1000 User Manual).
