Frequenzsteuerung für zuverlässige und sichere UWB-Anwendungen

Während des Zweiten Weltkriegs für sichere Kommunikations- und Radarsysteme entwickelt, wurde das Ultrabreitband (UWB) für die kommerzielle Nutzung verboten, so dass es jahrzehntelang weitgehend ungenutzt blieb. Die im Jahr 2002 erlassenen Bundesvorschriften ermöglichten eine breitere Nutzung von UWB. Seitdem hat es in einer wachsenden Zahl kommerzieller Anwendungen, einschließlich Industrie-, Konsumgüter-, Kommunikations- und Automobilanwendungen, an Bedeutung gewonnen. Diese nutzen die präzisen Ortungsfähigkeiten sowie die Highspeed-Datenübertragung und den geringen Stromverbrauch, die mit diesem drahtlosen Protokoll einhergehen.

Wie andere drahtlose Nahbereichskommunikationsprotokolle, z. B. Bluetooth und Wi-Fi, ermöglicht UWB die Schaffung eines PAN (Personal Area Network), das elektronische Geräte miteinander verbindet und die Datenübertragung in der unmittelbaren Umgebung einer Person erleichtert. Anstatt Daten über ein LAN oder WAN zu senden, überträgt ein PAN Informationen zwischen Geräten in der Nähe einer Person.

UWB unterscheidet sich jedoch in mehreren wichtigen Aspekten von anderen Übertragungstechnologien, die die Einführung von UWB in einer wachsenden Zahl von drahtlosen Mainstream-Anwendungen fördern.

Abbildung 1: Der sichere, breite Frequenzbereich von UWB und die präzise Sensorik ermöglichen eine Reihe von drahtlosen Mainstream-Anwendungen. (Bildquelle: Aker Technology)

UWB arbeitet mit einer sehr hohen Frequenz und stört andere Funkprotokolle nicht. Es ermöglicht Eigenschaften wie räumliches Audio, Smart-Home-Integration und kontaktlose Zahlungssysteme und ist daher besonders nützlich für Fahrzeuge, mobile Geräte und Verbrauchergeräte wie Smartphones und Tagging. Diese Technologie ermöglicht moderne Funktionen wie sicheres Freisprechen, Indoor-Navigation, kontaktloses Bezahlen, gemeinsame Nutzung von Berechtigungsnachweisen und Verfolgung von Objekten.

Die Vorteile von UWB

Während sich Bluetooth und Wi-Fi einen festen Platz in der Welt der drahtlosen Kommunikation gesichert haben, wird UWB bei Anwendungen im Bereich von 10 bis 20 Metern dominieren, da es schneller, sicherer und extrem genau ist. Dies ist vor allem auf die Laufzeitmessung (ToF) zurückzuführen.

Tabelle 1: Das UWB-Spektrum im Bereich 3,1 bis 10,6 GHz übertrifft das von Wi-Fi und Bluetooth, das bei 2,4 bis 5 GHz endet. Durch den Betrieb in einem höheren Frequenzbereich mit größerer Bandbreite kann UWB mehr Daten sicherer übertragen und eignet sich daher ideal für Highspeed-Datenübertragungen mit kurzer Reichweite. (Bildquelle: Aker Technology)

Durch die genaue Messung der Zeit, die ein Signal benötigt, um sich zwischen den Geräten zu bewegen, erschwert die ToF-Fähigkeit von UWB einem externen Angreifer den Zugriff oder die Manipulation der UWB-Kommunikation aufgrund der kryptografischen Natur, der Erzeugung von Zufallszahlen und anderer Sicherheitstechniken.

Neben der hohen Sicherheit bietet die UWB-Technologie einen geringen Stromverbrauch, eine gute Störfestigkeit, eine präzise Ortung sowie Signale, die leicht eine Vielzahl von Materialien durchdringen können. UWB ermöglicht die Übertragung einer großen Menge an Signalenergie, ohne die herkömmliche Schmalband- und Trägerwellenübertragung im selben Frequenzband zu stören.

Geschwindigkeit (Echtzeitdaten, präzises Timing): Obwohl die Datenrate von Wi-Fi mit 600 Mbit/s etwas höher ist als die von UWB (460 Mbit/s), ist UWB aufgrund seiner radarähnlichen Erfassungsfähigkeiten eine gute Wahl für drahtlose Anwendungen. (Zum Vergleich: Die Datenrate von Bluetooth beträgt 24 Mbit/s.) Da die nominelle Reichweite geringer ist als bei Bluetooth oder Wi-Fi, eignet sich UWB am besten für Kurzstreckenanwendungen, die eine präzise Zeitsteuerung und Datenübertragungen in Echtzeit erfordern.

Genauigkeit (Positionierung, Ortung): Die Genauigkeit von UWB ist bei kurzen Entfernungen mit keiner anderen Funktechnologie vergleichbar und gewährleistet eine präzisere Geräteortung. Das Fehlen von Interferenzen mit anderen Funkübertragungen und die Radio-Burst-Technologie bedeuten, dass UWB Entfernungen mit einer Genauigkeit von bis zu 10 bis 30 cm messen kann, was weit besser ist als die Genauigkeiten von Wi-Fi (2 bis 3 m) und Bluetooth (1 bis 5 m).

Sicherheit (Datenintegrität, sichere Übertragung): Die UWB-Impulsübertragungstechnologie ist resistent gegen Rauschen und Reflexionen, was sie für eine Reihe von Anwendungen äußerst sicher macht. Die direkte Verbindung zwischen zwei Geräten und die präzisen Messeigenschaften ermöglichen es UWB, eine Verbindung zu einem Gerät herzustellen und dessen Legitimität in Echtzeit zu überprüfen, ohne dass Funkwellen aufgezeichnet oder weitergeleitet werden.

Leistungseffizienz (geringe Streuverluste, optimaler Verbrauch): Dank der hohen Übertragungsgeschwindigkeit und des gut definierten Zeitrahmens ist UWB stromsparender als die meisten Kurzstreckenprotokolle. Es unterstützt mehrere Energiesparmodi, darunter auch Hibernation, um den Stromverbrauch noch weiter zu optimieren. Für kleine batteriebetriebene Geräte, wie sie in UWB-Umgebungen zu finden sind, ist der Stromverbrauch ein entscheidender Faktor.

Quarzoszillatoren für UWB-Anwendungen

UWB erfüllt viele Anforderungen von drahtlosen Kurzstreckenanwendungen über einen breiten Frequenzbereich. Dies bringt jedoch auch die Notwendigkeit einer präzisen Frequenzsteuerung mit sich, um die genaue Positionierung, Ortung und Highspeed-Datenübertragungen zu gewährleisten, die UWB so nützlich machen.

Tabelle 2: Typische Hochleistungsquarze, die die Anforderungen an die Frequenzsteuerung von UWB erfüllen. Quarze sind beliebte Bauteile zur Frequenzsteuerung, die für die Signal- und Zeitsteuerung eingesetzt werden, die für die Übertragung von Informationen zum richtigen Zeitpunkt und in der richtigen Geschwindigkeit erforderlich ist. Die Stabilität, das Phasenrauschen und die Leistungseffizienz des Kristalls können die Qualität und Zuverlässigkeit von UWB-Kommunikations- und Ortungssystemen beeinflussen. (Bildquelle: Aker Technology)

Ein stabiler Oszillator liefert ein zuverlässiges und genaues Taktsignal, das sicherstellt, dass die UWB-Pulse ihre gewünschte Form und ihr Spektrum beibehalten. Mit anderen Worten: Die vom UWB-Sender erzeugte Impulsform wird durch das vom Oszillator bereitgestellte Timing beeinflusst.

Frequenzdrift oder Instabilität im Oszillator können zu Signalverzerrungen und schlechter Leistung führen, daher ist die Wahl eines Quarzes mit dem richtigen Frequenzbereich, der richtigen Toleranz und Stabilität entscheidend. Weitere wichtige Parameter sind der Gehäusetyp, die Betriebstemperatur und die Lastkapazität.

Wichtigste UWB-Märkte

UWB tauchte erstmals im iPhone 11 auf und hat sich schnell in einer Vielzahl von PAN-basierten Anwendungen durchgesetzt, darunter Smart-Tags und bordeigene Referenzpunkte oder Anker (Englisch: Anchor). Die UWB-Technologie ermöglicht Innovationen im Bereich der intelligenten Funktechnologie und eine effizientere Automatisierung. Hier einige weitere Bereiche, wo UWB verschiedene drahtlose Märkte im Nahbereich revolutioniert (Abbildung 2):

Industrie - UWB wird für die Bestandsüberwachung von Anlagen, die Ortung in Innenräumen, Überwachungssysteme, drahtlose Sensornetzwerke und Smart-Grid-Anwendungen eingesetzt. Die Technologie kann genaue Standortinformationen für Personal und Ausrüstung liefern.

Verbraucherkommunikation - Die Technologie wird in Smartphones, Wearables, IoT, Smart-Home-Systemen und Smart-Tags für schnelle und zuverlässige drahtlose Verbindungen zwischen Geräten mit geringer Reichweite eingesetzt. UWB bietet eine genauere räumliche Ortung, z. B. eine präzise Positionierung in Innenräumen.

Automobilindustrie - Schlüssellose Zugangssysteme, sicherer Fahrzeugzugang, fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und Anwendungen zur Nachführung nutzen UWB in der Automobilindustrie zur präzisen Positionierung.

Abbildung 2: UWB-Anwendungen. (Bildquelle: Aker Technology)

Frequenzsteuerung für Innovationen bei drahtlosen Anwendungen

Die steigende Nachfrage nach drahtloser Vernetzung, insbesondere durch die Verbreitung von Geräten für das Internet der Dinge (IoT) und die Einrichtung von 5G-Netzen, bringt die Datenübertragung über Frequenzbänder an neue Grenzen. Die wachsende drahtlose Infrastruktur ist auf die kritischen Leistungsparameter angewiesen, die UWB bietet.

UWB arbeitet in einem breiten Frequenzbereich und ermöglicht die Übertragung einer großen Menge an Signalenergie, ohne die herkömmliche Schmalband- und Trägerwellenübertragung im selben Frequenzband zu stören. Diese breite Bandbreitenzuweisung erfordert eine genaue Frequenzsteuerung, um Interferenzen mit anderen drahtlosen Systemen zu vermeiden, die in denselben Frequenzbändern arbeiten, und um Datenübertragungen zu synchronisieren und eine zuverlässige Kommunikation zu gewährleisten.

Fazit

Die UWB-Technologie ermöglicht eine sichere Entfernungsmessung und präzise Ortung, wodurch eine neue Dimension des räumlichen Kontexts für drahtlose Geräte geschaffen wird. Es ermöglicht die Übertragung einer großen Menge an Signalenergie, ohne die herkömmliche Schmalband- und Trägerwellenübertragung im selben Frequenzband zu stören. UWB ist der Weg in die Zukunft für IoT, Wearables, Echtzeitortung, Smart-Car-Zugang, Steuerung im intelligenten Wohnbereich, Peer-to-Peer-Kommunikation, automatische Entriegelung und Zutrittsmanagement, und Aker ist mit seinem breiten Angebot an Quarzkristallen dabei.