各路技術齊綻放：超寬帶和低功耗藍牙的結合如何實現(xiàn)創(chuàng)新

越來越多的日常數(shù)字設備，包括智能手機、門鎖，甚至最新的汽車，現(xiàn)在都使用一種稱為空間感知的無線功能。具有空間感知功能的數(shù)字設備可以了解它相對于其他設備的位置，然后對這些設備的位置變化做出響應?？臻g感知功能使我們——這些數(shù)字設備的用戶們，可以更輕松地度過每一天。

以空間感知門鎖為例。這種鎖可以安裝在車門、倉庫入口或前門上，它可以感應到您所攜帶的智能手機的靠近，并且在您離門足夠近，準備進入時，它會自動解鎖。同樣，當您離開時，門鎖可以感應到您的離開；當您離得足夠遠，表明您已經(jīng)離開時，門鎖會自動重新鎖上。

空間感知功能對我們人類有幫助的另一種方式是，找到我們放錯地方的東西。您可以在錢包、眼鏡或遙控器上安裝一個小型跟蹤裝置，下次找不到這個物品時，你的智能手機就可以利用其空間感知功能定位它，并引導你找到它。你的智能手機甚至可以在屏幕上呈現(xiàn)帶有增強現(xiàn)實視圖的圖像，引導你找到丟失的物體。

與空間感知設備的交互簡單直觀，但設計支持空間感知的人機體驗可能相當具有挑戰(zhàn)性，因為其中涉及許多步驟。此外，開發(fā)人員還發(fā)現(xiàn)，使用兩種不同的無線技術，即低能耗藍牙和超寬帶，可以創(chuàng)建一種空間感知的增強型解決方案。

設計中的藍牙低能耗（BLE）部分提供一種低功耗方法，可通過被動接近檢測來識別是否存在其他設備。而設計中的超寬帶（UWB）部分基于寬帶測距提供精確定位功能，可檢測距離和運動方向的微小變化。檢測到附近的物體后，設計的BLE端觸發(fā)UWB端，并使用UWB生成的數(shù)據(jù)向人機界面?zhèn)鬟_運動的位置和方向。

要在BLE、UWB和人機界面之間實現(xiàn)這些交互可能會很棘手。它涉及復雜的嵌入式算法和復雜的射頻設計。此外，終端產(chǎn)品還需要進行徹底測試，才能確保這兩種無線技術能夠無縫地協(xié)同工作。

以下是開發(fā)人員在使用空間感知時需要考慮的問題。

通過低功耗藍牙（BLE）實現(xiàn)接近傳感技術和通信

因為使用廣泛，藍牙是物聯(lián)網(wǎng)設備的合理選擇。根據(jù)監(jiān)督藍牙規(guī)范和許可的標準組織藍牙技術聯(lián)盟（Bluetooth Special Interest Group,SIG）2021年市場最新信息，估計有130億臺支持藍牙的物聯(lián)網(wǎng)設備已經(jīng)投入使用。Bluetooth SIG在BLE的成功中發(fā)揮了重要作用，因為它們不僅定義了通信協(xié)議，還通過認證計劃強制遵守協(xié)議。結果是， BLE無處不在且普遍可互操作。開發(fā)人員可以確信，支持BLE的設備將能與他們遇到的其他支持BLE的設備進行通信，終端用戶無須為設備設置和配置操心。

互操作性使BLE成為兩點之間短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕^佳選擇。在使用空間感知的應用中，這意味著BLE可用于配置、鏈路協(xié)商和通信人機界面。

BLE也可用于定位，但在確定物品的準確位置方面不如UWB精確。BLE使用一種叫做接收信號強度指示器（Received Signal Strength Indicator，簡稱RSSI）的技術來計算距離。這與其他常用的定位協(xié)議（包括Wi-Fi）使用的技術相同。RSSI測量使用信號強度來表示距離，這是基于信號越近越強的理念，但這種方法更容易受到射頻干擾和人體障礙等問題的影響。如果應用需要超越BLE的空間感知水平，那么UWB就發(fā)揮作用了。

通過超寬帶（UWB）實現(xiàn)精確定位

最近由IEEE在802.15.4a/z中定義的UWB，是一種無線標準，它提供比當前使用的任何其他定位技術（包括BLE和Wi-Fi）更精確的讀數(shù)。使用飛行時間（ToF）和到達角（AoA）計算，超寬帶可以精確地確定+/-10cm范圍內的位置。

最新版本的超寬帶基于軍事雷達應用。它與其他無線協(xié)議不同之處在于，它使用的脈沖信號短至2ns。此外，與BLE、Wi-Fi和一些專有解決方案運行更擁擠的2.4 GHz頻譜中使用窄帶不同，超寬帶在6-8 GHz頻譜中使用500 MHz的寬帶。

超寬帶的獨特結構意味著它可以精確地執(zhí)行安全測距，同時使用很小的功率發(fā)送信號，即使在具有挑戰(zhàn)性的射頻環(huán)境中，也能提供非常穩(wěn)定的連接，幾乎不受干擾。

成功的組合

BLE和UWB的定位結合惠及智能家居、汽車、消費類和工業(yè)等廣泛用例。

回到門鎖的例子，你接近車門時，車門會自動打開，這是BLE和UWB提供的最佳體驗。BLE可以在鄰近的外部邊界進行初始發(fā)現(xiàn)，然后可以與車身周圍的多個錨點協(xié)調，以激活UWB測距。新激活的超寬帶錨可以檢測智能手機中相應的超寬帶無線。使用協(xié)調的ToF和AoA測量，這些超寬帶無線可以確保高度精確的距離測量。

在物品跟蹤器中，BLE和UWB之間也會發(fā)生類似的切換。電池供電的小標簽可以貼在包上、車鑰匙上、寵物的項圈上，或者任何你可能丟失的東西上。BLE將追蹤器與您的手機相關聯(lián)。配對兩個BLE端點可啟用加密的BLE通信，以確保隱私。之后，當你找不到你要找的東西時，可以使用手機上的應用啟動搜索。BLE會尋找相關標簽，一旦接近，BLE就會激活UWB測距，你的應用會引導你找到丟失物品的準確位置。

迎接設計挑戰(zhàn)

BLE和UWB的結合意味著每個協(xié)議都可以提供關鍵功能，打造更好的用戶體驗。但是，采用結合的無線技術開發(fā)從概念到產(chǎn)品的設計給開發(fā)人員帶來了獨特的挑戰(zhàn)。

編碼固件和設計硬件實現(xiàn)BLE和UWB的全部結合潛力，需要每一項技術的專業(yè)知識。此外，了解這兩種技術如何在一個系統(tǒng)中協(xié)同集成意味著要注意許多其他因素，包括非易失性內存和RAM的限制、系統(tǒng)級電流消耗的預算以及板卡的設計約束。

使用同一家供應商的好處

設計者需要依賴可靠且易于集成的BLE和UWB解決方案，理想情況下，它們還可以在單個系統(tǒng)中相互結合工作。確保BLE和UWB IC能夠成功集成到產(chǎn)品中的一種方法是，與能夠提供這兩種IC的單一供應商合作。

例如，恩智浦為空間受限設計提供BLE和UWB片上系統(tǒng)（SoC）選項，并通過模塊合作伙伴提供BLE和UWB解決方案的預認證PCB模塊變體。此外，采用恩智浦的參考設計和設計指南來設計硬件，可使系統(tǒng)開發(fā)人員處于領先地位，并確?？蛻舭宓脑O計符合最佳射頻和其他性能指標。

在單個項目中結合BLE和UWB軟件也面臨一系列挑戰(zhàn)。這是選擇單個供應商可能有所幫助的另一種情況，因為您更有可能找到協(xié)同工作的軟件組件。例如，恩智浦的MCUXpresso SDK提供預集成的UWB驅動程序、BLE堆棧、其他關鍵系統(tǒng)組件（如引導加載程序）和應用層功能，在一組參考示例中演示UWB驅動的用例。

恩智浦的Finder V3參考板作為附加的設計工具，提供了最佳的硬件設計指南和緊密集成的嵌入式軟件。此參考設計演示了Finder的使用案例，其中包含一個小型電池供電板，支持BLE接近和發(fā)現(xiàn)、UWB測距，甚至還有一個帶有源代碼的演示移動應用。

Finder V3的參考設計基于QN9090無線MCU和Trimension SR040，這是恩智浦為UWB跟蹤應用量身定制的UWB解決方案。Trimension SR040支持實時定位服務（RTLS）標簽中的到達時差（TDoA），其設計符合FiRa聯(lián)盟對UWB即將提出的要求。

了解更多信息

利用BLE和UWB的互補特性，開發(fā)人員可以解鎖創(chuàng)新的用戶體驗，并幫助我們的互聯(lián)世界變得更加無縫和可靠。

如需詳細了解恩智浦如何使BLE和UWB更好地協(xié)同工作，請查看我們的UWB開發(fā)套件中包含的許多優(yōu)化。

作者：

Parker Dorris 恩智浦汽車BLE產(chǎn)品經(jīng)理

Parker Dorris是恩智浦汽車BLE產(chǎn)品的產(chǎn)品經(jīng)理。此外，他還幫助管理恩智浦的連接產(chǎn)品軟件，重點關注易用性和一些第三方生態(tài)合作體系。Parker作為微控制器和無線技術的固件開發(fā)人員和營銷經(jīng)理，擁有超過15年的工作經(jīng)驗。