Análisis en profundidad del módulo UWB650 (Parte 1): Introducción a la tecnología UWB y al módulo UWB650

Este capítulo pretende sentar las bases teóricas para una comprensión profunda de las funciones y el rendimiento del módulo UWB650. Comenzará con los principios básicos de la tecnología de banda ultraancha (UWB) y se centrará gradualmente en la implementación específica del hardware del módulo UWB650, proporcionando a los ingenieros los conocimientos básicos y las especificaciones técnicas necesarias para una evaluación preliminar.

1.1 Ventajas de UWB: medición precisa de distancias según IEEE 802.15.4-2020

La banda ultraancha (UWB) es una tecnología de radio basada en los estándares IEEE 802.15.4a/z, que se caracteriza por el uso de un ancho de banda de señal muy amplio (normalmente superior a 500 MHz) para transmitir pulsos extremadamente cortos, de nanosegundos. Esta característica de la capa física constituye la diferencia fundamental entre la UWB y las tecnologías de comunicación de banda estrecha tradicionales, como Bluetooth y Wi-Fi, y le otorga una ventaja de precisión inigualable en la medición de distancia y posicionamiento.

La tecnología UWB calcula la distancia principalmente midiendo el Tiempo de Vuelo (ToF). El principio consiste en medir con precisión el tiempo que tarda una señal de radio en viajar entre dos dispositivos y luego multiplicarlo por la velocidad de la luz para obtener la distancia física entre ellos. Este método contrasta marcadamente con las tecnologías que se basan en el Indicador de Intensidad de la Señal Recibida (RSSI). El RSSI estima la distancia basándose en la atenuación de la potencia de la señal, que es muy susceptible a la interferencia de obstáculos, efectos multitrayecto y otros factores ambientales, lo que reduce la precisión. El ToF, por otro lado, mide directamente el tiempo y es insensible a los cambios en la intensidad de la señal, lo que demuestra una mayor robustez y precisión en entornos interiores complejos o multitrayecto.

El módulo UWB650 cumple con el estándar IEEE 802.15.4-2020, que integra las especificaciones de capa física 802.15.4a y la enmienda 802.15.4z, diseñada para mejorar la seguridad. Esta conformidad con el estándar garantiza que el módulo pueda aprovechar las últimas tecnologías de medición de distancia segura y ofrece la posibilidad de interoperabilidad con otros dispositivos que cumplen con las especificaciones del Consorcio FiRa.

1.2 Arquitectura de hardware: un análisis profundo del UWB650 basado en Qorvo DW3000

El núcleo del módulo UWB650 es el chip UWB de la serie DW3000 de Qorvo (en concreto, el circuito integrado DW3210 integrado en el módulo DWM3000). Este chipset es totalmente compatible con el estándar IEEE 802.15.4z, compatible con el canal 5 UWB (frecuencia central de 6,5 GHz) y el canal 9 (frecuencia central de 8 GHz), y ofrece dos velocidades de datos por aire: 850 kbps y 6,8 Mbps. La versión actual del firmware del módulo UWB650 se centra en aplicaciones que utilizan el canal 5 (6489,6 MHz).

El módulo está diseñado como una solución altamente integrada. Su diagrama de bloques interno muestra que, además del chip DW3000, también integra un microcontrolador (MCU), un amplificador de potencia de RF (PA) de alto rendimiento, una antena y circuitos de protección contra descargas electrostáticas (ESD).

Esta arquitectura de diseño de Sistema en Módulo (SoM) es significativa. Esto significa que toda la pila de protocolos UWB, incluyendo el complejo control de pulsos de la capa física y la gestión de temporización de la capa MAC (como DS-TWR), es gestionada por el MCU integrado. El sistema host externo solo necesita usar un simple conjunto de comandos AT serie para invocar funciones avanzadas como la medición de distancia, el posicionamiento y la transmisión de datos. Esto reduce considerablemente la barrera de desarrollo, permitiendo a los ingenieros sin un conocimiento profundo de la pila de protocolos UWB integrar y aplicar la tecnología rápidamente.

El módulo se conecta a sistemas externos a través de interfaces de pines, con definiciones de pines claras que facilitan la integración del hardware.

Los pines clave incluyen:

• Alimentación : VCC (3,0-5,5 V) y GND.

• Comunicación en serie : RXD y TXD, se utilizan para la interacción de comandos y datos con la MCU host.

• Control de hardware : RESET (reinicio de bajo nivel), DEFAULT (mantener presionado un nivel bajo durante un tiempo prolongado para restaurar la configuración de fábrica), CS (nivel bajo para ingresar al modo de suspensión) y UPGRADE (nivel bajo para ingresar al modo de actualización de firmware).

• Indicadores de estado : TXOK (alto durante la transmisión de datos), RXOK (alto durante la recepción de datos) y P011 (alto durante el alcance/posicionamiento), que brindan soporte a nivel de hardware para el monitoreo del estado en tiempo real.

1.3 Especificaciones clave de rendimiento y parámetros operativos

Los parámetros de rendimiento del módulo UWB650 determinan su idoneidad para aplicaciones específicas. La información detallada sobre estos parámetros es crucial para el presupuesto de energía, la gestión de la misma y la evaluación del rendimiento en las primeras etapas del diseño del sistema.

La alta potencia de transmisión del módulo, de hasta 27,7 dBm (~0,5 W), es clave para su capacidad de comunicarse a distancias superiores a 1 kilómetro. Sin embargo, esta característica tiene diferentes efectos en distintos escenarios de aplicación. En entornos abiertos que requieren comunicación de largo alcance, una alta potencia es una ventaja significativa. Pero en aplicaciones de posicionamiento de corto alcance (p. ej., dentro de 1 metro) que requieren precisión centimétrica, una potencia excesiva puede exacerbar las reflexiones de la señal, creando efectos multitrayecto más fuertes que pueden causar desviaciones en los datos de medición de distancia y reducir la precisión. Las preguntas frecuentes del módulo indican claramente que, cuando se utiliza a corto alcance, se recomienda reducir adecuadamente la potencia de transmisión mediante el comando UWBRFAT+POWER para mitigar los efectos multitrayecto. Esto revela un equilibrio crítico en el rendimiento: los diseñadores de sistemas deben tomar decisiones y realizar ajustes dinámicos entre la distancia de comunicación y la precisión de campo cercano en función de las necesidades específicas de la aplicación.

Tabla de parámetros de rendimiento del UWB650

La siguiente tabla consolida los parámetros clave de rendimiento eléctrico y de RF del módulo UWB650, proporcionando una referencia rápida para la evaluación y el diseño del hardware.

El módulo utiliza un formato de trama de datos compatible con el estándar IEEE 802.15.4-2020 para la comunicación inalámbrica. Este formato incluye campos como Control de Trama, Número de Secuencia, ID de PAN, Dirección de Destino, Dirección de Origen, Carga Útil de Trama y Secuencia de Comprobación de Trama (FCS). Para los desarrolladores de la capa de aplicación, la sección de Carga Útil de Trama es la principal prioridad. Los datos que entran por el puerto serie se encapsulan en esta sección para su transmisión, y para los datos recibidos de forma inalámbrica, el módulo solo emite el contenido de la Carga Útil de Trama a través del puerto serie. El firmware del módulo gestiona automáticamente los demás campos de protocolo y no pueden ser modificados por el usuario.

Análisis en profundidad de la serie de módulos UWB650

• Análisis en profundidad del módulo UWB650 (Parte 1): Introducción a la tecnología UWB y al módulo UWB650

• Análisis en profundidad del módulo UWB650 (Parte 2): Dominio de las funciones principales: configuración y uso

• Análisis en profundidad del módulo UWB650 (Parte 3): Funciones avanzadas y mantenimiento del sistema

• Análisis en profundidad del módulo UWB650 (Parte 4): Consideraciones y mejores prácticas para la calibración del retardo de la antena y la implementación del módulo

• Análisis en profundidad del módulo UWB650 (Parte 5): Comandos de configuración