電子發(fā)燒友網(wǎng)報道(文/李寧遠)作為室內高精度定位技術,UWB技術發(fā)展至今稱得上足夠可靠,而且性價比高,能實現(xiàn)厘米級的精準定位。得益于技術帶來的優(yōu)異定位精度和無縫互聯(lián)優(yōu)勢,UWB技術逐漸在物聯(lián)網(wǎng)、消費電子、汽車互聯(lián)等相關領域開始鋪開廣泛應用。從智能終端、家庭應用到汽車應用,UWB生態(tài)正在逐步完善。
UWB的通信定位技術潛力
UWB技術全稱Ultra Wide Band,是一種建立在脈沖無線電、低功率寬帶信號兩大基石上的無線載波通信技術。UWB技術起源自60年代的脈沖通信技術,因其能夠準確測量飛行時間,最早被應用于軍事雷達探測。起初這一技術并沒有應用在民用領域。
隨著UWB在民用領域的解禁,UWB技術依靠隱蔽性好、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、功耗低、抗干擾能力強等諸多優(yōu)勢,在通信和定位領域迅速發(fā)展普及。UWB并不采用正弦載波,而是利用納秒級非正弦的占空比很低的波窄脈沖作為載體,進行傳輸數(shù)據(jù)或探測物體,頻譜極寬。
從通信角度來說,由于UWB信號占用了至少500MHz的通信帶寬,傳輸數(shù)據(jù)的能力是足夠的,只是不適合遠距離傳輸,因為衰減比較嚴重。UWB的工作頻率遠離2.4GHz等繁忙的窄帶通信頻段,因此UWB信號具有強大的抗干擾能力,同時在復雜環(huán)境中具有極強的抗多徑能力。而且隨著新的通信協(xié)議發(fā)布,UWB在實現(xiàn)高速傳輸數(shù)據(jù)的同時,從物理層就增強了安全通信能力,使用者的數(shù)據(jù)安全也有保障,比一般的通信系統(tǒng)安全性更高。
測距定位應用,目前UWB最火熱的應用方向。UWB測距定位技術依靠信號傳播時間,和藍牙技術、Wi-Fi技術用于定位的原理一樣,如藍牙5.1、Wi-Fi在往返時間上的LTE和Multi-RTT定位法,不過這些技術和UWB技術相比在定位應用上相比尚處在早期階段。
UWB的定位分單邊測距SS-TWR和雙邊測距DS-TWR,雙邊測距計算量更大但也更精準。而且這種技術的時延很低,能夠即時定位。UWB持續(xù)且極短的窄脈沖能在嘈雜的環(huán)境中依然精準地被捕捉到。
技術本身的優(yōu)勢在UWB相關器件的支持下,厘米級定位帶來的豐富應用場景在各類微距定位上有著十足的潛力。
UWB應用生態(tài)與前景
UWB的應用生態(tài)與發(fā)展有著不少組織的推動,首先是UWB聯(lián)盟,其次有側重于UWB安全測距的FiRa聯(lián)盟、側重于定位位置服務的omlox聯(lián)盟,以及側重于汽車應用的UWB車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟。這也是目前UWB技術應用最廣泛的幾個方向。
無鑰匙方案是汽車應用領域較新的方向,因其便捷很受歡迎。其他的例如安全支付應用、增強AR/VR應用都也開始出現(xiàn)UWB技術的身影。雖然目前安全支付應用領域里更多的是NFC技術,但是在以后UWB可能將與NFC融合,進一步提高安全支付的可靠性。
根據(jù)市場調研機構Techno Systems Research發(fā)布的報告,2021年全球UWB芯片市場出貨量超過2億顆,到2027年將會超過12億顆。另外根據(jù)ABI Research的測算,2022年UWB設備的出貨量將超五億臺,其中智能手機將會是出貨量最大的市場,緊隨其后的是汽車、智能家居、可穿戴設備、消費電子標簽及實時定位系統(tǒng)。在室內微距定位上優(yōu)勢明顯的UWB技術,應用前景可期。
UWB模塊中各類器件
一款全集成的UWB定位模組一般由UWB芯片及相關射頻電路、MCU、傳感器、天線、電源幾部分組成。
傳感器會包含IMU在內的多種傳感器,目的是結合IMU的數(shù)據(jù)改善定位精度。天線部分根據(jù)IMU的應用方式有PCB板載天線(標簽應用)和SMA外接天線(基站應用)兩種方案。供電部分為了避免電源噪聲干擾UWB通信,多路獨立DCDC和LDO芯片在其中也發(fā)揮著重要作用。
UWB芯片,UWB模組的核心。不同于Wi-Fi、藍牙芯片,UWB芯片設計難度更大,想要實現(xiàn)定位高精度,大帶寬和高采樣率是最基礎的。UWB芯片內部射頻和模擬模塊需要能夠支持更高的帶寬,延遲部分也需要計算的非常精確。另一方面,UWB芯片的定位需要大量算法的優(yōu)化迭代作為基礎,開發(fā)難度和成本自然也就更高。
從行業(yè)平均水平來看,目前終端模組主流的定位水平在10厘米左右就已經(jīng)可以被接受,歐美UWB芯片廠商及相關實驗室可以將UWB定位實現(xiàn)3厘米以內的精度,一些領先的廠商已經(jīng)將精度提升到1厘米。
國內外UWB芯片廠商進展
Qorvo已在UWB領域深耕多年,當下最主流的UWB芯片無疑是Qorvo的DW系列,根據(jù)Qorvo的統(tǒng)計數(shù)據(jù),其相關產(chǎn)品已被廣泛應用于40多個垂直市場中,市占率高達70%。Qorvo最新的DW3300Q支持UWB5通道(6.5 GHz)和9通道(8 GHz),同時提供850 Kbps和6.8 Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率。該新系列主打汽車應用,移遠通信今年推出的車規(guī)級UWB模組AU30Q就是基于DW3300Q打造而成。
UWB的通信定位技術潛力
UWB技術全稱Ultra Wide Band,是一種建立在脈沖無線電、低功率寬帶信號兩大基石上的無線載波通信技術。UWB技術起源自60年代的脈沖通信技術,因其能夠準確測量飛行時間,最早被應用于軍事雷達探測。起初這一技術并沒有應用在民用領域。
隨著UWB在民用領域的解禁,UWB技術依靠隱蔽性好、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、功耗低、抗干擾能力強等諸多優(yōu)勢,在通信和定位領域迅速發(fā)展普及。UWB并不采用正弦載波,而是利用納秒級非正弦的占空比很低的波窄脈沖作為載體,進行傳輸數(shù)據(jù)或探測物體,頻譜極寬。
從通信角度來說,由于UWB信號占用了至少500MHz的通信帶寬,傳輸數(shù)據(jù)的能力是足夠的,只是不適合遠距離傳輸,因為衰減比較嚴重。UWB的工作頻率遠離2.4GHz等繁忙的窄帶通信頻段,因此UWB信號具有強大的抗干擾能力,同時在復雜環(huán)境中具有極強的抗多徑能力。而且隨著新的通信協(xié)議發(fā)布,UWB在實現(xiàn)高速傳輸數(shù)據(jù)的同時,從物理層就增強了安全通信能力,使用者的數(shù)據(jù)安全也有保障,比一般的通信系統(tǒng)安全性更高。
測距定位應用,目前UWB最火熱的應用方向。UWB測距定位技術依靠信號傳播時間,和藍牙技術、Wi-Fi技術用于定位的原理一樣,如藍牙5.1、Wi-Fi在往返時間上的LTE和Multi-RTT定位法,不過這些技術和UWB技術相比在定位應用上相比尚處在早期階段。
UWB的定位分單邊測距SS-TWR和雙邊測距DS-TWR,雙邊測距計算量更大但也更精準。而且這種技術的時延很低,能夠即時定位。UWB持續(xù)且極短的窄脈沖能在嘈雜的環(huán)境中依然精準地被捕捉到。
技術本身的優(yōu)勢在UWB相關器件的支持下,厘米級定位帶來的豐富應用場景在各類微距定位上有著十足的潛力。
UWB應用生態(tài)與前景
UWB的應用生態(tài)與發(fā)展有著不少組織的推動,首先是UWB聯(lián)盟,其次有側重于UWB安全測距的FiRa聯(lián)盟、側重于定位位置服務的omlox聯(lián)盟,以及側重于汽車應用的UWB車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟。這也是目前UWB技術應用最廣泛的幾個方向。
無鑰匙方案是汽車應用領域較新的方向,因其便捷很受歡迎。其他的例如安全支付應用、增強AR/VR應用都也開始出現(xiàn)UWB技術的身影。雖然目前安全支付應用領域里更多的是NFC技術,但是在以后UWB可能將與NFC融合,進一步提高安全支付的可靠性。
根據(jù)市場調研機構Techno Systems Research發(fā)布的報告,2021年全球UWB芯片市場出貨量超過2億顆,到2027年將會超過12億顆。另外根據(jù)ABI Research的測算,2022年UWB設備的出貨量將超五億臺,其中智能手機將會是出貨量最大的市場,緊隨其后的是汽車、智能家居、可穿戴設備、消費電子標簽及實時定位系統(tǒng)。在室內微距定位上優(yōu)勢明顯的UWB技術,應用前景可期。
UWB模塊中各類器件
一款全集成的UWB定位模組一般由UWB芯片及相關射頻電路、MCU、傳感器、天線、電源幾部分組成。
傳感器會包含IMU在內的多種傳感器,目的是結合IMU的數(shù)據(jù)改善定位精度。天線部分根據(jù)IMU的應用方式有PCB板載天線(標簽應用)和SMA外接天線(基站應用)兩種方案。供電部分為了避免電源噪聲干擾UWB通信,多路獨立DCDC和LDO芯片在其中也發(fā)揮著重要作用。
UWB芯片,UWB模組的核心。不同于Wi-Fi、藍牙芯片,UWB芯片設計難度更大,想要實現(xiàn)定位高精度,大帶寬和高采樣率是最基礎的。UWB芯片內部射頻和模擬模塊需要能夠支持更高的帶寬,延遲部分也需要計算的非常精確。另一方面,UWB芯片的定位需要大量算法的優(yōu)化迭代作為基礎,開發(fā)難度和成本自然也就更高。
從行業(yè)平均水平來看,目前終端模組主流的定位水平在10厘米左右就已經(jīng)可以被接受,歐美UWB芯片廠商及相關實驗室可以將UWB定位實現(xiàn)3厘米以內的精度,一些領先的廠商已經(jīng)將精度提升到1厘米。
國內外UWB芯片廠商進展
Qorvo已在UWB領域深耕多年,當下最主流的UWB芯片無疑是Qorvo的DW系列,根據(jù)Qorvo的統(tǒng)計數(shù)據(jù),其相關產(chǎn)品已被廣泛應用于40多個垂直市場中,市占率高達70%。Qorvo最新的DW3300Q支持UWB5通道(6.5 GHz)和9通道(8 GHz),同時提供850 Kbps和6.8 Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率。該新系列主打汽車應用,移遠通信今年推出的車規(guī)級UWB模組AU30Q就是基于DW3300Q打造而成。

DW系列,Qorvo
NXP,另一家UWB技術領先的行業(yè)龍頭,其Trimension系列在物聯(lián)網(wǎng)、移動設備市場應用廣泛。在UWB芯片上目前沒有新的系列出來,還是大家熟知的用于移動設備的SR100T、工業(yè)應用的OL23DO、物聯(lián)網(wǎng)應用的SR150、SR040以及汽車應用的NCJ29D5。基于這些UWB芯片的相關模塊一直有新的產(chǎn)品出來,如近期Murata基于NXP UWB芯片推出了超小型UWB模塊。

UWB芯片,NXP
目光轉向國內,專精上游芯片的UWB廠商也不少。紐瑞芯在UWB的定位精度和測量范圍上在全球范圍都處于領先位置。紐瑞芯UWB芯片通過提升采樣速率,在不使用業(yè)界常用的卡爾曼濾波的情況下已經(jīng)能將定位精度拉到1厘米級別,還通過在射頻技術上的創(chuàng)新將測距范圍擴展到100米。近期紐瑞芯面向汽車電子產(chǎn)品的700系列芯片發(fā)布了兩款芯片,目前已實現(xiàn)量產(chǎn),下半年過車規(guī)認證;面向VR/AR的800系列新品也實現(xiàn)量產(chǎn)。

600系列,紐瑞芯
優(yōu)智聯(lián)的UWB SoC芯片ZN1000、ZN2000也已經(jīng)在多家汽車整機廠、零部件供應商開始測試。從目前的相關消息來看,旗下的UWB芯片很好地解決了小型化和低功耗上應用痛點,處于快速切入市場階段。
馳芯半導體今年推出了CX310和CX500兩款UWB芯片,CX310定位在消費電子和物聯(lián)網(wǎng)市場,CX500定位于汽車電子市場。CX310的睡眠功耗、收發(fā)功耗指標特別突出,CX500則在集成度上做了進一步提升。
瀚巍微電子的MK系列低功耗技術也很出名,正攜手英飛凌合作共同推進UWB技術在資產(chǎn)跟蹤、PKE數(shù)字密鑰、倉庫管理和定位標簽等方面的應用。
寫在最后
越來越多的人認為UWB是僅次于WLAN和藍牙的第三大非蜂窩技術,雖然目前UWB技術還面臨著價格高、技術支持難等問題,但是其應用前景十分明朗。UWB技術的應用已經(jīng)涉及我們日常生活的方方面面,隨著技術的進步,更多應用場景將被挖掘出來。
同時,UWB技術也在不斷改進,下一代UWB已經(jīng)開始在研究中。不少技術組織和廠商正在尋求替代編碼,前導方案以及調制方案的辦法,進一步拓展UWB頻譜在準確度、可靠性上的性能。技術發(fā)展和產(chǎn)品落地的共同推進下,UWB將給我們的日常生活帶來哪些改變很值得期待。
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