UWB，更進(jìn)一步

在蘋果于2019年發(fā)布了集成U1的iPhone 11之后，面世已經(jīng)數(shù)十年的UWB（Ultra-wideband）芯片一夜爆紅。

翻看其發(fā)展歷史， UWB技術(shù)最早可以追溯到1887年 。當(dāng)時(shí)，Heinrich Hertz通過制造火花并通過寬帶加載偶極子（loaded dipoles）發(fā)射出第一個(gè)UWB信號(hào)。隨后的幾十年里，UWB發(fā)展幾經(jīng)浮沉。直到1989年，美國(guó)國(guó)防部創(chuàng)造了“超寬帶”（Ultra-Wideband：UWB）一詞，UWB進(jìn)入了發(fā)展新階段，但其應(yīng)用場(chǎng)景，依然離消費(fèi)者很遠(yuǎn)。

但如文章開頭所說，在iPhone 11之后，UWB終于在消費(fèi)市場(chǎng)找到了一席之地。除了蘋果以外，三星、谷歌、摩托羅拉、聯(lián)想、華為等也都紛紛擁抱UWB。但我們必須承認(rèn)，無論是在防丟器、汽車鑰匙，還是在資產(chǎn)追蹤、室內(nèi)導(dǎo)航、AP定位等應(yīng)用中，UWB過去幾年的發(fā)展，并不盡如人意。

UWB，不如預(yù)期

作為一種基于IEEE 802.15.4a和802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)的無線電技術(shù)，UWB可以更精確地測(cè)量無線電信號(hào)的飛行時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)精度的距離/位置測(cè)量。作為引起新一輪熱潮的應(yīng)用，智能手機(jī)和類似AirTags之類的產(chǎn)品無疑是UWB首先發(fā)力的市場(chǎng)。與此同時(shí)，開發(fā)者還在迅速崛起的智能車市場(chǎng)和工業(yè)、醫(yī)療市場(chǎng)中為UWB尋找一席之地。

誠(chéng)然，UWB有不少先天優(yōu)勢(shì)。

以UWB另一個(gè)主要應(yīng)用方向——汽車準(zhǔn)入方案應(yīng)用為例，作為進(jìn)入汽車的重要入口，歷經(jīng)多年發(fā)展的汽車行業(yè)大多采用了BLE和NFC作為汽車準(zhǔn)入的無線方案，但因其天生特性，這些無線技術(shù)在汽車進(jìn)入系統(tǒng)應(yīng)用中面臨被黑客攔截信息，并丟失解鎖密碼的風(fēng)險(xiǎn)。于是，擁有抗干擾能力強(qiáng)、定位精度高等特性的UWB，成為了汽車被動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的新選擇。

“ UWB是一種短距離高頻無線技術(shù)，擅長(zhǎng)確定精確的位置和距離 。由于其精準(zhǔn)度，UWB技術(shù)能夠抵御常見的攻擊，尤其是中繼攻擊，這種攻擊會(huì)誘使車輛誤以為鑰匙就在附近。但UWB通過使用雙向測(cè)距和時(shí)間戳驗(yàn)證來解決這個(gè)問題，以確保設(shè)備（通常是智能手機(jī)或鑰匙扣）確實(shí)位于車輛附近?！必?fù)責(zé)推廣并維護(hù)UWB技術(shù)的Fira聯(lián)盟在博客文章中解析道。

“UWB應(yīng)用于能為現(xiàn)代車輛帶來四點(diǎn)好處，分別是 安全性 、 便利 、 功能 和 可靠性 。”Fira聯(lián)盟總結(jié)說。

不過，擁有很多優(yōu)勢(shì)的UWB在過去幾年的發(fā)展中，進(jìn)展緩慢，在某種程度上可能與此前的UWB方案特性有關(guān)。

據(jù)了解， 早期的UWB解決方案采用的是Transceiver分立架構(gòu)設(shè)計(jì) 。具體而言，就是芯片僅提供無線射頻模塊，開發(fā)者需要額外配置主控芯片（MCU），并自行編寫底層驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)完整的功能。

對(duì)于擁有強(qiáng)大研發(fā)能力和豐富資源的頭部企業(yè)來說， 這種分立的模式能夠提供極大的靈活性和性能優(yōu)化空間 ，因?yàn)殚_發(fā)者可以通過深度定制MCU來達(dá)到最佳的系統(tǒng)性能。然而，對(duì)于大多數(shù)汽車制造商和其他中小型企業(yè)而言，這樣的開發(fā)模式帶來了顯著的挑戰(zhàn)：

首先， 第三方MCU的兼容性問題常常導(dǎo)致開發(fā)周期延長(zhǎng) ；其次，由于需要處理復(fù)雜的硬件集成和軟件調(diào)試工作，系統(tǒng)的功耗管理和成本控制變得異常困難，導(dǎo)致最終產(chǎn)品的能耗較高且成本居高不下。此外，值得一提的是，過去的UWB方案很多都是非車規(guī)的產(chǎn)品，這可能會(huì)引致某些謹(jǐn)慎客戶將其拒絕在潛力巨大的汽車市場(chǎng)大門之外。

正是因?yàn)樯鲜鰡栴}，UWB技術(shù)在過去幾年里并沒有在廣泛市場(chǎng)中獲得想象中的普及與應(yīng)用。但到了今天，市場(chǎng)似乎產(chǎn)生了新的變化。

走向集成，迎來拐點(diǎn)

毋庸置疑，UWB能獲得進(jìn)步，包括芯片廠商、方案商、Fira聯(lián)盟和CCC聯(lián)盟在內(nèi)的企業(yè)和組織的投入都有目共睹。過去多年里，這些參與者也都在思考如何將UWB更好地應(yīng)用于工業(yè)、汽車和醫(yī)療等應(yīng)用。

尤其是芯片廠商，在推動(dòng)UWB普及方面功不可沒。例如針對(duì)分立方案的問題，包括NXP、三星電子和Qorvo在內(nèi)的芯片廠商都發(fā)布了UWB SoC方案。以Qorvo為例，在今年一季度，他們就帶來了旗下的UWB SoC QM35825 和 QPF5100Q 。

首先看 QM35825——Qorvo的首款UWB SoC 。如圖所示，該芯片采用了“ All-in-One ”設(shè)計(jì)，在其中集成了包括四個(gè)靈活的射頻端口、低噪聲放大器 (LNA)、功率放大器 (PA) 和射頻開關(guān)、安全功能、通信外設(shè)以及帶有安全區(qū)域的Arm Cortex-M33 MCU等部件，這大大降低了UWB的設(shè)計(jì)門檻，加速了產(chǎn)品的上市進(jìn)程。

得益于這些領(lǐng)先配置， 這顆低功耗UWB SoC能提供片上計(jì)算功能，用于測(cè)距、AoA、雷達(dá)和數(shù)據(jù)傳輸功能 。值得一提的是，該方案在支持FiRa、Omlox和Aliro測(cè)距方案的同時(shí)，還能 將精度做到±5cm ， 到達(dá)角（AoA）精度更是高達(dá)±2 。這些優(yōu)勢(shì)讓其在工業(yè)和消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)找到更多的應(yīng)用空間。

例如在 智能家居 方面，UWB能被應(yīng)用到訪問控制、位置感知和存在感測(cè)等領(lǐng)域；在 智能工業(yè) 領(lǐng)域，UWB則能推向貴重資產(chǎn)追蹤、工廠倉(cāng)庫(kù)的物流追蹤、工位人員離開解鎖/上鎖電腦、兩輪車/汽車的接近檢測(cè)等應(yīng)用；甚至在對(duì)可靠性有高規(guī)格要求的 醫(yī)療市場(chǎng) ，UWB也能找到生存空間。

針對(duì)這些市場(chǎng)，Qorvo的QM35825能通過提供 微定位精度 和 可靠測(cè)距 助力開發(fā)者騰飛。

如上所述，QM35825有著出色的處理能力和RF性能，使其能在執(zhí)行一些輕量的AI和ML處理的同時(shí)，提高雷達(dá)探測(cè)精度和穩(wěn)定性；值得一提的是，這款解決方案還提供了易于訪問的API，確保了其與現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)的順暢集成，加速UWB創(chuàng)新應(yīng)用的部署。

為了將UWB推向更多市場(chǎng)，Qorvo還推出了 符合車規(guī)認(rèn)證的車規(guī)級(jí)UWB SoC——QPF5100Q 。據(jù)了解，這款產(chǎn)品 通過了AEC-Q100 Grade 2車規(guī)認(rèn)證 ，能夠在-40℃至+105℃的極端溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，使得其擁有足夠的底氣敲開汽車廠商的大門。

和QM35825不一樣，Qorvo針對(duì)汽車應(yīng)用的需求，對(duì)其做了很多獨(dú)特的設(shè)計(jì)。例如， 配置了更大容量的Flash memory 供客戶開發(fā)/移植車用軟件。QPF5100Q還展現(xiàn)出了行業(yè)領(lǐng)先的射頻性能， 支持UWB脈沖雷達(dá) ，其數(shù)據(jù)速率覆蓋850kbps至62.4Mbps的廣泛區(qū)間，滿足復(fù)雜應(yīng)用需求，豐富車內(nèi)互聯(lián)體驗(yàn)。

對(duì)于包括QM35825和QPF5100Q在內(nèi)的UWB SoC來說，有一個(gè)值得強(qiáng)調(diào)的亮點(diǎn)，那就是其不僅符合了中國(guó)最新的UWB頻譜規(guī)范，也能適應(yīng)歐美市場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，用“一芯全球化部署”的設(shè)計(jì)，增加了這顆芯片的客戶友好度。這意味著開發(fā)者能輕易打造一款面向全球的產(chǎn)品，而不需要針對(duì)不同地方不同頻段做更多做重復(fù)設(shè)計(jì)。

除了上述硬件性能外，Qorvo還在為上述兩顆UWB SoC帶來可配置軟件，使得設(shè)計(jì)師能夠定制獨(dú)特的功能，從而提升產(chǎn)品性能并為最終用戶的應(yīng)用帶來差異化優(yōu)勢(shì)。

展望未來，大有可為

在芯片走向集成的同時(shí)，產(chǎn)業(yè)鏈還在當(dāng)前的應(yīng)用場(chǎng)景下，探索UWB未來的更多可能。

和BLE等無線連接技術(shù)相比，UWB無論在 定位精度（距離） 、 延遲 、 可靠性 還是 安全性 方面都占優(yōu)。更重要的是，這個(gè)技術(shù)除了測(cè)距，還能夠判斷方向。于是，類似門禁和智能門鎖等市場(chǎng)，就成為了UWB的發(fā)力方向。

在今年三月，Qorvo就與Nordic聯(lián)手， 基于Qorvo的QM35825超寬帶（UWB）SoC和Nordic的nRF54L系列 ，面向連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟（CSA）的 Aliro和Matter協(xié)議推出一款參考應(yīng)用。據(jù)了解，該解決方案，將助力開發(fā)人員輕松、快速上手Aliro和Matter門禁控制項(xiàng)目，并讓所有制造商都能掌握智能鎖設(shè)計(jì)技術(shù)。

除了前文談到的工業(yè)和消費(fèi)場(chǎng)景外。現(xiàn)在火熱的汽車市場(chǎng)，也讓UWB有了一展拳腳的空間。行業(yè)參與者也正在將其推向更多應(yīng)用領(lǐng)域。如作為后排乘客警報(bào)系統(tǒng)的一部分，就是其應(yīng)用方向之一。

早在2022年，Euro NCAP（European New Car Assessment Programme：歐洲新車安全評(píng)鑒協(xié)會(huì)）就引入了兒童存在檢測(cè)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)其規(guī)定，新車強(qiáng)制要求加入兒童存在檢測(cè)（CPD：Child Presence Detection），以檢測(cè)車內(nèi)是否有嬰兒被遺留，從而幫助預(yù)防悲劇事故的發(fā)生。

而能夠監(jiān)測(cè)細(xì)微的呼吸和心率變化的UWB雷達(dá)，正是這個(gè)應(yīng)用的首要選擇。和傳統(tǒng)的攝像頭檢測(cè)方案不一樣， UWB雷達(dá)在兼顧安全性和功能性的同時(shí)，還保護(hù)了乘客的隱私 。同時(shí)，UWB雷達(dá)工作頻率還相對(duì)較低，因此能夠有效穿透車內(nèi)各種固體物質(zhì)，包括隔板、汽車座椅，甚至嬰兒毯以及后排座椅以外的區(qū)域，甚至延伸至載貨空間，為監(jiān)測(cè)提供了更多地保障。

此外，因?yàn)樵摷夹g(shù)還 利用了多普勒效應(yīng)計(jì)算速度，能夠精確探測(cè)到非常細(xì)微的動(dòng)作 ，包括嬰兒的呼吸，這就使得其在車載監(jiān)控方面的優(yōu)勢(shì)也顯而易見。

UWB雷達(dá)還有很多其他用途。例如， 運(yùn)動(dòng)檢測(cè) 使其適合用于更精確、更經(jīng)濟(jì)的安全系統(tǒng) ，而無需集成額外的傳感器。由于其能夠檢測(cè)生命體征，UWB雷達(dá)還可以 消除行李放置在座椅上時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)誤安全帶警報(bào) ；而使用UWB的手勢(shì)識(shí)別功能，則可以 在控制方面為汽車帶來更多的賦能 。

針對(duì)這些需求，Qorvo和合作伙伴共同推動(dòng)QPF5100Q經(jīng)過了NCAP的認(rèn)證?！盎诜€(wěn)健的產(chǎn)品路線圖， Qorvo的汽車UWB解決方案具備可擴(kuò)展的系統(tǒng)架構(gòu)和持續(xù)的技術(shù)進(jìn)步，能夠確保適應(yīng)不斷演變的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和新興應(yīng)用。 ”Qorvo重申。

在Qorvo等廠商的推動(dòng)下，UWB正在加速普及。展望未來，我們希望能看到這個(gè)存在已久的技術(shù)給我們帶來新驚喜。