A frekvenciaszabályozás jelentősége a megbízható, biztonságos UWB-eszközök létrehozásában

A II. világháború alatt a biztonságos kommunikációhoz és a radarrendszerekhez kifejlesztett ultraszéles sávú (UWB, ultra-wideband) technika kereskedelmi felhasználását betiltották, így évtizedekig nagyrészt kihasználatlanul maradt. A 2002-ben kiadott (amerikai egyesült államokbeli) szövetségi rendeletek lehetővé tették az UWB szélesebb körű használatát. Azóta jelentős teret nyert egyre több olyan kereskedelmi berendezésben – többek között ipari, fogyasztói, kommunikációs és gépjárműipari készülékekben –, amelyek a pontos helyzetmeghatározási és nyomkövetési képességeket, valamint a nagy sebességű adatátvitelt és a rendkívül kis fogyasztást használják ki, amelyek jellemzőek erre a vezeték nélküli technikára.

Más kis hatótávolságú vezeték nélküli kommunikációs protokollokhoz, például a Bluetoothhoz és a wifihez hasonlóan az UWB is lehetővé teszi olyan személyes hálózat (PAN, personal area network) létrehozását, amely összekapcsolja az egyén közvetlen környezetében lévő elektronikus eszközöket, és megkönnyíti az adatátvitelt. Ahelyett, hogy LAN (local area network, helyi hálózat) vagy WAN (wide area network, nagy kiterjedésű hálózat) hálózaton keresztül küldené, a PAN hálózat az adott személy közelében lévő eszközök között továbbítja az adatokat.

Az UWB azonban több kulcsfontosságú szempontból is különbözik más átviteli technikáktól, ami elősegíti az UWB egyre szélesebb körben történő használatát a főbb vezeték nélküli felhasználási területeken.

1. ábra: Az UWB biztonságos, széles frekvenciatartománya és pontos érzékelése számos általános vezeték nélküli felhasználási területen való használatot tesz lehetővé (ábra: Aker Technology)

Az UWB nagyon nagy frekvencián működik, és nem zavar más vezeték nélküli protokollokat. Megkönnyíti az olyan funkciók megvalósítását, mint a térbeli hangzás, az okosotthonok rendszereinek összeépítése és az érintésmentes fizetési rendszerek, így különösen hasznos a járművekben, valamint a mobil és fogyasztói eszközökben, például az okostelefonokban és az árucímkékben. Ez a technika olyan fejlett funkciókat tesz lehetővé, mint a kézhasználat nélküli ajtónyitás, a beltéri navigáció, az érintés nélküli fizetés, a hitelesítő adatok megosztása és a tárgyak nyomon követése.

Az UWB előnyei

Míg a Bluetooth és a wifi egyaránt a vezeték nélküli kommunikáció világában kapott helyet, az UWB a 10–20 méteres tartományban működő készülékekben fog dominálni, mivel gyorsabb, biztonságosabb, és rendkívül pontos. Ez nagyrészt a visszaverődési idő (ToF, Time of Flight) mérésével végzett méréseknek köszönhető.

1. táblázat: Az UWB 3,1 GHz – 10,6 GHz közötti spektrumsávja mellett a wifi és a Bluetooth 2,4 GHz – 5 GHz közötti sávja eltörpül. Mivel az UWB magasabb frekvenciatartományban és nagyobb sávszélességgel működik, több adatot képes biztonságosabban továbbítani, így ideális nagy sebességű, rövid távú adatátvitelre (táblázat: Aker Technology)

Mivel képes pontosan mérni az eszközök közötti jelátviteli időt, az UWB visszaverődési idő mérésére való képessége megnehezíti a külső támadók számára az UWB-kommunikációhoz való hozzáférést vagy az UWB-kommunikáció illetéktelen módosítását, köszönhetően az ilyen kommunikáció titkosított jellegének, a véletlen számok előállításának és más biztonsági módszereknek.

A nagyfokú biztonság mellett az UWB technika kis fogyasztást, jó zajvédettséget, pontos helyzetmeghatározást és nyomkövetést kínál, valamint olyan jeleket, amelyek sokféle anyagon könnyen áthatolnak. Az UWB lehetővé teszi nagy mennyiségű jelenergia átvitelét anélkül, hogy zavarná az ugyanabban a frekvenciasávban működő hagyományos keskeny sávú és vivőhullámos átvitelt.

Vezeték nélküli sebesség (valós idejű adatok, pontos időzítés): Bár a wifi adatátviteli sebessége valamivel nagyobb, mint az UWB-é (600 Mb/s, illetve 460 Mb/s), az UWB a radarszerű érzékelési képességei miatt hatékony választás a vezeték nélküli készülékekbe. (Csak a miheztartás végett: a Bluetooth adatátviteli sebessége 24 Mb/s.) Ezenkívül a Bluetooth vagy a wifi névleges hatótávolságánál kisebb névleges hatótávolságával az UWB a legmegfelelőbb a pontos időzítést és valós idejű adatátvitelt igénylő, kis hatótávolságú készülékekbe.

Pontosság (helyzetmeghatározás, nyomkövetés): Kis távolságok esetén az UWB pontossága semmilyen más vezeték nélküli technikával nem érhető el, így ez a készülék helyzetének pontosabb meghatározását teszi lehetővé. Az, hogy nem zavarják más rádióadások, valamint a rádióimpulzusos működés azt jelenti, hogy az UWB hatékonyan, akár 10–30 cm-es pontossággal méri a távolságokat, ami sokkal jobb, mint a wifi (2–3 m) és a Bluetooth (1–5 m) távolságmérési pontossága.

Biztonság (adatépség, biztonságos jelátvitel): Az UWB impulzusos átviteli technikája zajtűrő és ellenáll a visszaverődésnek, így számos felhasználási területen rendkívül biztonságos. A két eszköz közötti közvetlen kapcsolat és a pontos mérés lehetővé teszik, hogy az UWB valós időben, rádióhullámok rögzítése vagy továbbítása nélkül kapcsolódjon az eszközökhöz, és igazolja azok valódiságát.

Hatásfok (kis visszáram, optimális fogyasztás): Az UWB a nagy átviteli sebességnek és a pontosan beállított időzítési keretnek köszönhetően jobban takarékoskodik az energiával, mint a legtöbb kis hatótávolságú protokoll. Lehetővé tesz számos kis fogyasztású üzemmódot, beleértve a hibernált üzemmódot is a fogyasztás még jobb optimalizálása érdekében. Az UWB világában használt kis méretű, akkumulátoros eszközök esetében a fogyasztás döntő tényező.

Az UWB-készülékeket a kristályoszcillátorok teszik lehetővé

Az UWB széles frekvenciatartományban kielégíti a kis hatótávolságú vezeték nélküli készülékek számos igényét, de ez egyben azt is jelenti, hogy a pontos helyzetmeghatározás, a nyomkövetés és a nagy sebességű adatátvitel érdekében, amelyek az UWB-t olyan hasznossá teszik, pontos frekvenciaszabályozásra van szükség.

2. táblázat: Az UWB frekvenciaszabályozási igényeinek megfelelő jellegzetes nagy teljesítményű kristályok. A kvarckristályok népszerű frekvenciaszabályozó eszközök, amelyeket az adatok megfelelő időben és sebességgel történő továbbításához szükséges jel- és időzítésszabályozás megteremtésére használnak. A kristály stabilitása, fáziszajjellemzői és hatásfoka hatással lehet a kommunikációs és helyzetmeghatározó UWB-rendszerek minőségére és megbízhatóságára (táblázat: Aker Technology)

A stabil oszcillátor megbízható és pontos órajelet szolgáltat, amely biztosítja, hogy az UWB-impulzusok megőrizzék a kívánt alakot és spektrumot. Más szóval az UWB-adó által előállított impulzus alakját az oszcillátor által szolgáltatott időzítés befolyásolja.

Az oszcillátor frekvenciaelvándorlása vagy instabilitása a jel torzulásához és rossz teljesítményhez vezethet, ezért rendkívül fontos, hogy megfelelő frekvenciatartományú, tűréshatárú és stabilitású kristályt válasszunk. További kulcsfontosságú paraméterek még a tokozás típusa, az üzemi hőmérséklet és a terhelési kapacitás.

Az UWB főbb piacai

Az UWB először az iPhone 11-ben jelent meg, és gyorsan teret nyert számos személyes (PAN) hálózatba szánt eszközben, köztük az okoscímkékben, a járműbe épített referenciapontokban és a helyzetmeghatározó horgonyokban. Az UWB technika segíti a vezeték nélküli okoseszközök területén végzett műszaki újításokat és a világ automatizálásának javítását. Íme néhány további terület, ahol az UWB forradalmasítja a különböző kis hatótávolságú vezeték nélküli termékek piacát (2. ábra):

Ipar: Az UWB-t eszközkövetésben, beltéri helyzetmeghatározásban, felügyeleti rendszerekben, vezeték nélküli érzékelőhálózatokban és villamos hálózati okoseszközökben használják. A technika pontos helyzetadatokat tud szolgáltatni a személyzet és a berendezések hollétéről.

Fogyasztói kommunikáció: A technikát okostelefonokban, viselhető eszközökben, a dolgok internetére kapcsolódó rendszerekben, okosotthonokban használt rendszerekben és okoscímkékben használják kis hatótávolságú eszközök közötti gyors és megbízható vezeték nélküli kapcsolatok megteremtésére. Az UWB pontosabb térbeli követést, például pontosabb beltéri helyzetmeghatározást kínál.

Gépjárműipar: A kulcs nélküli ajtónyitó rendszerek, a járművek biztonságos beléptetése, a fejlett vezetőtámogató rendszerek (ADAS, advanced driver-assistance system) és a nyomkövetés mind-mind az UWB-t használják a gépjárműiparban a pontos helyzetmeghatározáshoz.

2. ábra: UWB-t használó eszközök (kép: Aker Technology)

A frekvenciaszabályozás segíti az újításokat a vezeték nélküli termékek területén

A vezeték nélküli összeköttetés iránti növekvő igény – különösen a dolgok internetének (IoT, Internet of Things) terjedésével és az 5G hálózatok kiépítésével – új határok közé szorítja a frekvenciasávokon keresztül mozgó adatokat. A növekvő vezeték nélküli infrastruktúra az UWB által kínált fontos teljesítményparaméterekre támaszkodik.

A széles frekvenciatartományban működő UWB lehetővé teszi nagy mennyiségű jelenergia átvitelét anélkül, hogy zavarná az ugyanabban a frekvenciasávban működő hagyományos keskeny sávú és vivőhullámos átvitelt. Ez a nagy sávszélesség-tartomány pontos frekvenciaszabályozást igényel, hogy ne zavarják egymást az ugyanabban a frekvenciasávban működő más vezeték nélküli rendszerekkel, valamint az adatátvitel szinkronizálása és a megbízható kommunikáció fenntartása érdekében.

Összegzés

Az UWB technika biztonságos távolságmérést és pontos helyzetérzékelést tesz lehetővé, ami a vezeték nélküli eszközök esetében új dimenzióba helyezi a „térbeli” szó jelentését. Lehetővé teszi nagy mennyiségű jelenergia átvitelét anélkül, hogy zavarná ugyanabban a frekvenciasávban a hagyományos keskeny sávú és vivőhullámos átvitelt. Az UWB a jövő útja a dolgok internete, a viselhető eszközök, a megfelelő időben történő helyzetmeghatározás, az autókba való intelligens bejutás, a járművek intelligens beléptetése, a lakásvezérlő panelek, az egyenrangú (P2P, peer-to-peer) kommunikáció, az automatikus ajtónyitás és a hozzáférés-szabályozás terén. Az Aker az időmérő kristályok széles választékával áll készen arra, hogy ennek a részese legyen.