BLE新應用-----藍牙低功耗測距(WiRa)技術分享

BLE_Wireless_Ranging

何謂WiRa? 如何運作?

WiRa (Wireless Ranging) 為一基於藍牙低功耗 (BLE) 的無線測距技術,提供精準的距離量測透過Dialog(Renesas) 的DA1469x BLE Soc平台。以相位差(Phase Base Ranging)的方式取得距離量測數據。

 

這個技術我們首先會發射一組不同頻率的ISM 2.4GHz無線訊號波,此無線訊號波我們稱之為DTE (Dialog Tone Exchange)。我們的無線訊號支援精準的相位同調 (phase coherent),藉由比較這一組不同頻率的訊號通道發射及接收到的相位差,我們能得出距離。

 

我們總共有40個相鄰通道,所以每一個WiRa任務會由39個相位差計算而來。技術能量測的最遠距離約75米。目前取得最佳化量測條件約1.5米到4米的範圍。

WiRaTM 圖一
Phase_Base_Ranging 圖二

Phase Base Ranging原理

波長λ= 波速V / 頻率f

Phase_Base_Ranging_theory 圖三

公式中V為傳播速度,單位為公尺/秒,λ是波長,f是電磁波的頻率,單位為赫茲(Hz)。

image04 圖四

頻率:

廣播電台的發射機是產生無線電波的原動力,首先電流以極為快速地來回擺動,也就是產生振盪,經過發射機的放大和處理,便輸送到發射塔的天線,這裡也就是實際產生無線電波的地方。參看圖四所示,其中曲線代表強度與時間的關係,無線電波是沿著天線流動的電子所產生的。

 

假設曲線的左邊是起點,我們可以看出曲線從零點逐漸升高,然後又回到零點,這表示電流在天線上,從一端奔向另一端所產生的無線電波,而當電流從另一端奔回時,便產生了零點基線下方的曲線,這一來回就是一個週期。像圖1曲線就是無線電波的頻率,例如某電台是1,000,000週期/秒,但通常人們習慣把它縮減成1,000千赫(KHz),意思就是一千個週期。

波長:

波長也就是從天線發射出去的電波一個週期之間的距離。假設圖2中的無線電波是15MHz,那麼它的波長指的就是從A點到B點的距離。如果每秒的周期數目加倍,就變成30MHz,也就是圖3。觀察圖2、圖3兩波形,便可發現15MHz每週期中含有30MHz兩個週期,也就是說頻率愈高,波長就愈短。

 

所以相位的變化基於傳輸距離r 與波長λ (跟隨頻率 f 變化) 得到一個比例關係。發送端的訊號頻率fc,接收端接收到fc後回傳fc給發送端,發送端量測發射與回授fc之間的相位差ϴ.  之後重複此流程直到40個通道全部完成。

Initiator_Reflector 圖五
image06 圖六

WiRa—乘載於BLE通訊中的測量流程

WiRa 圖七

由上圖可看到在BLE 資料通訊間隔中,一個距離量測任務約占用200m Sec 的時間。其中包含了BLE Master 與Peripheral 之間的同步訊號,40個channel 的DTE訊號傳遞。IQ到相位的轉換,資料交換。

解決多路徑的演算法

first_signal_peak_to_arrive 圖八

一個多路徑訊號進到WiRa接收端之後,會經一個Inverse FFT演算法做頻率掃描。獲取最強信號強度的路徑將其定義為最短路徑,然後會設定出一個訊號強度門檻值。如一訊號振幅低於門檻值,則視其為折射訊號,以第一個獲取的訊號路徑取代之。如訊號振幅高於門檻值,則將其距離與最短路徑做平均。

WiRa與其它無線測距技術的比較

image10 圖九

參考文獻

1. Renesas, Dialog SmartBond™ Wireless Ranging SDK, https://reurl.cc/10kpKQ

2. 電子發燒友計算器, https://www.elecfans.com/tools/bochangpinlv.html

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