Jak frekvenční řízení zajišťuje spolehlivé a bezpečné aplikace UWB

Technologie ultraširokého pásma (UWB) vyvinutá během 2. světové války pro zabezpečené komunikační a radarové systémy byla zakázaná pro komerční použití, čímž po mnoho desetiletí zůstávala z velké části nevyužitá. Širší využití technologie UWB umožnily až federální předpisy vydané v roce 2002. Od té doby se technologie UWB výrazně rozšířila v rostoucím počtu komerčních aplikací, včetně průmyslových, spotřebitelských, komunikačních a automobilových, které využívají její schopnosti přesného určování a sledování polohy, jakož i vysokorychlostního přenosu dat a minimální spotřeby energie, které jsou s tímto bezdrátovým protokolem spojeny.

Stejně jako jiné bezdrátové komunikační protokoly s krátkým dosahem, jako jsou Bluetooth a Wi-Fi, umožňuje technologie UWB vytvoření osobní sítě (PAN), která propojuje elektronická zařízení a usnadňuje přenos dat v bezprostřední blízkosti osob. Namísto odesílání dat přes sítě LAN nebo WAN přenáší síť PAN informace mezi zařízeními v blízkosti osob.

UWB se však od ostatních přenosových technologií liší v několika klíčových aspektech, které podporují implementaci UWB v rostoucím počtu běžných bezdrátových aplikací.

Obrázek 1: díky zabezpečenému, širokému frekvenčnímu rozsahu a přesnému snímání podporuje technologie UWB širokou škálu běžných bezdrátových aplikací. (Zdroj obrázku: Aker Technology)

Technologie UWB pracuje na velmi vysoké frekvenci a proto neruší ostatní bezdrátové protokoly. Podporuje funkce, jako jsou prostorový zvuk, integrace chytré domácnosti a bezkontaktní platební systémy, čímž je praktická zejména ve vozidlech a v mobilních a spotřebitelských zařízeních, jako jsou chytré telefony a označovací zařízení. Tato technologie pomáhá aktivovat pokročilé funkce, jako je zabezpečený hands-free přístup, vnitřní navigace, bezkontaktní platby, sdílení přihlašovacích údajů a sledování věcí.

Výhody, které přináší technologie UWB

Zatímco technologie Bluetooth i Wi-Fi si zajistily místo ve světě bezdrátových komunikací, technologie UWB je připravena dominovat v aplikacích pracujících v okruhu 10-20 m, protože je rychlejší, bezpečnější a extrémně přesná. Tyto vlastnosti z velké části plynou z měření doby letu (ToF).

Tabulka 1: Spektrální pásmo 3,1 ~ 10,6 GHz technologie UWB převyšuje pásmo Wi-Fi a Bluetooth, které dosahuje 2,4 ~ 5 GHz. Díky provozu ve vyšším frekvenčním rozsahu a s vyšší šířkou pásma je technologie UWB schopná bezpečněji přenášet větší objemy dat, čímž se stává ideální pro vysokorychlostní datové přenosy na krátké vzdálenosti. (Zdroj obrázku: Aker Technology)

Vlastnost ToF technologie UWB umožňující přesné měření doby, kterou signál potřebuje k přeletu mezi zařízeními, ztěžuje vnějšímu útočníkovi přístup k UWB komunikaci a manipulaci s ní. Tato technologie má totiž kryptografický charakter a používá generování náhodných čísel i další zabezpečovací techniky.

Kromě vysokého zabezpečení nabízí technologie UWB také nízkou spotřebu, vysokou odolnost proti šumu, přesné stanovení a sledování polohy, jakož i signály, které mohou snadno proniknout různými materiály. Technologie UWB umožňuje přenos vysokého objemu energie signálu bez vzájemného rušení s konvenčním přenosem v úzkém pásmu a s nosnou vlnou ve stejném frekvenčním rozsahu.

Rychlost bezdrátového připojení (data v reálném čase, přesné časování): Ačkoli je přenosová rychlost Wi-Fi o něco vyšší než rychlost UWB (600 Mb/s, resp. 460 Mb/s), technologie UWB se díky svým radarovým detekčním schopnostem stává účinnou volbou pro bezdrátové aplikace. (Pro informaci, přenosová rychlost Bluetooth je 24 Mbps.) Dále platí, že díky nižšímu jmenovitému dosahu, než Bluetooth nebo Wi-Fi je technologie UWB nejvhodnější pro aplikace s krátkým dosahem vyžadující přesné časování a přenosy dat v reálném čase.

Přesnost (stanovení a sledování polohy): Přesnosti technologie UWB se nevyrovná žádná jiná bezdrátová technologie na krátké vzdálenosti, která by zajistila přesnější stanovení polohy. Zanedbatelné vzájemné rušení s jinými rádiovými přenosy a technologie rádiových impulzů znamená, že UWB efektivně měří vzdálenosti s přesností až 10 až 30 cm, která je podstatně lepší než rozsah u Wi-Fi (2 až 3 m) a Bluetooth (1 až 5 m).

Zabezpečení (integrita dat, bezpečný přenos): Technologie přenosu impulsů UWB je odolná vůči šumu a odrazům, čímž je vysoce bezpečná pro celou řadu aplikací. Přímé spojení mezi dvěma zařízeními a přesné měřicí vlastnosti umožňují technologii UWB vytvořit spojení se zařízením a ověřit jeho legitimitu v reálném čase bez záznamu nebo přenosu rádiových vln.

Energetická účinnost (nízký svod, optimální spotřeba): Díky vysoké přenosové rychlosti a dobře definovanému časovému rámci šetří technologie UWB energii lépe než většina protokolů s krátkým dosahem. Technologie UWB je schopná podporovat více režimů nízké spotřeby, včetně režimu spánku pro dosažení ještě vyšší optimalizace spotřeby. U malých zařízení napájených z baterií, jako jsou zařízení v prostředí UWB, je rozhodujícím faktorem spotřeba energie.

Krystalové oscilátory otevírají cestu aplikacím UWB

Technologie UWB vyhovuje mnoha požadavkům bezdrátových aplikací s krátkým dosahem v širokém frekvenčním rozsahu, což však sebou přináší také potřebu přesného řízení frekvence, aby bylo zajištěno přesné určování polohy, sledování polohy a vysokorychlostní přenosy dat, díky kterým je technologie UWB tolik praktická.

Tabulka 2: Typické vysoce výkonné krystaly, které splňují požadavky na řízení frekvence technologie UWB. Křemenné krystaly jsou oblíbená zařízení na regulaci frekvence, která se používají k zajištění řízení signálu a časování nezbytného pro přenos informací ve správný čas a se správnou rychlostí. Stabilita, charakteristiky fázového šumu a energetická účinnost krystalu mohou ovlivnit kvalitu a spolehlivost komunikačních a polohovacích systémů používajících technologii UWB. (Zdroj obrázku: Aker Technology)

Stabilní oscilátor poskytuje spolehlivý a přesný taktovací signál, který zajišťuje, aby si impulzy UWB zachovávaly požadovaný tvar a spektrum. Jinými slovy, tvar impulzu generovaný vysílačem UWB je ovlivněn časováním, které poskytuje oscilátor.

Vzhledem k tomu, že frekvenční drift nebo nestabilita oscilátoru mohou vést ke zkreslení signálu a špatnému výkonu, výběr krystalu se správným frekvenčním rozsahem, tolerancí a stabilitou je kriticky důležitý. Mezi další klíčové parametry patří typ pouzdra, provozní teplota a zátěžná kapacita.

Hlavní trhy technologie UWB

Technologie UWB, která byla poprvé použita v telefonu iPhone 11, se rychle prosadila ve velkém počtu aplikací založených na sítích PAN, včetně chytrých štítků a referenčních bodů ve vozidle nebo kotev. Technologie UWB pomáhá rozvíjet inovace inteligentních bezdrátových technologií a lépe automatizovat svět. Zde je několik dalších způsobů, jak technologie UWB revolučně mění různé trhy s bezdrátovými sítěmi krátkého dosahu (obrázek 2):

Průmysl - technologie UWB se používá ke sledování majetku, k lokalizaci v interiéru, v monitorovacích systémech, v bezdrátových senzorových sítích a v aplikacích inteligentních sítí. Tato technologie je schopná poskytovat přesné informace o poloze pracovníků a vybavení.

Spotřebitelská komunikace - Tato technologie se používá v chytrých telefonech, v nositelné elektronice, IoT, v systémech chytré domácnosti a inteligentních štítcích pro vytvoření rychlého a spolehlivého bezdrátového spojení mezi zařízeními s krátkým dosahem. Technologie UWB nabízí přesnější prostorové sledování, například přesné umístění v interiéru.

Automobilový průmysl - Systémy bezklíčového vstupu, zabezpečený přístup do vozidel, pokročilé asistenční systémy pro řidiče (ADAS) a sledování - všechny tyto aplikace využívají technologii UWB v automobilovém průmyslu pro přesné určování polohy.

Obrázek 2: aplikace technologie UWB. (Zdroj obrázku: Aker Technology)

Řízení frekvence pomáhá bezdrátovým inovacím

Rostoucí poptávka po bezdrátovém připojení, zejména v souvislosti s rozšiřováním zařízení internetu věcí (IoT) a zaváděním sítí 5G, posouvá objem dat přenášených ve frekvenčních pásmech k novým limitům. Rostoucí bezdrátová infrastruktura spoléhá na kritické výkonnostní parametry které technologie UWB nabízí.

Technologie UWB pracující v širokém frekvenčním rozsahu umožňuje přenos vysokého objemu energie signálu bez vzájemného rušení s konvenčním přenosem v úzkém pásmu a s nosnou vlnou ve stejném frekvenčním rozsahu. Toto přidělování vysoké šířky pásma vyžaduje přesné řízení frekvence, aby se zabránilo rušení s jinými bezdrátovými systémy pracujícími ve stejných frekvenčních pásmech, jakož i pro synchronizaci datových přenosů a udržování spolehlivé komunikace.

Závěr

Technologie UWB umožňuje bezpečné určování vzdálenosti a přesné snímání, čímž vytváří nový rozměr prostorového kontextu pro bezdrátová zařízení. Umožňuje přenos vysokého objemu energie signálu bez vzájemného rušení s konvenčním přenosem v úzkém pásmu a s nosnou vlnou ve stejném frekvenčním rozsahu. Technologie UWB je cestou budoucnosti pro IoT, nositelnou elektroniku, lokalizaci v čase, chytrý přístup do automobilů, domácí ovládací panely, peer-to-peer komunikaci, automatické odemykání a správu přístupu, kde společnost Aker nabízející širokou škálu časových krystalů je připravena být hlavním účastníkem.