繼蘋果 (Apple) 和三星 (Samsung) 之后，小米也在去年 10 月加入超寬帶 (UWB) 行列、發(fā)布＂一指連＂技術(shù)，意在賦予手機(jī)與智能設(shè)備猶如人眼一般的空間感知能力。小米 10 系列手機(jī)和一干智能家居設(shè)備皆內(nèi)置 UWB 芯片和數(shù)組天線，可實(shí)現(xiàn)＂厘米級(jí)＂定位，角度測(cè)量精度可達(dá) ±3°。小米表示，＂一指連＂得益于 UWB 大帶寬和窄脈沖特性，空間中不易被攔截，輔以小米距離算法加持，將為安全提供雙重保障；UWB 將與藍(lán)牙低功耗 (BLE)、Wi-Fi 形成互補(bǔ)，以滿足不同場(chǎng)景下的連接需求。
圖1：UWB 能準(zhǔn)確提供動(dòng)作、時(shí)間、位置三個(gè)向量的信息，尤其是在室內(nèi)
資料來(lái)源：Qorvo；https://www.decawave.com/markets-applications/
在小米發(fā)布的演示影片中可看到：一指操控接口＋一指投送當(dāng)前屏幕內(nèi)容的便利性，小米表示他們不久后的目標(biāo)是：無(wú)感連動(dòng)。例如，靠近車門或閘門，口袋中的手機(jī)就能自動(dòng)開鎖或放行，連拿著手機(jī)＂指向＂的動(dòng)作都免了。UWB 無(wú)線電不僅可精確計(jì)算距離，還可計(jì)算到另一臺(tái)設(shè)備的方向，與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備完美融合。此外，UWB 技術(shù)因追蹤準(zhǔn)確性高，在 COVID-19 接觸者追蹤和保持社交距離幫助很大。恩智浦半導(dǎo)體 (NXP) 解釋，藍(lán)牙雖然可單獨(dú)偵測(cè)社交活動(dòng) (基于智能手機(jī)應(yīng)用程序)，但它不夠精確且容易受到外部因素影響。
圖2：UWB 脈沖信號(hào)在所有方向都沒有視線問題，且可與包括藍(lán)牙在內(nèi)的流行無(wú)線格式共存，可使社交距離和接觸人追蹤的設(shè)備和應(yīng)用程序更加準(zhǔn)確可靠
資料來(lái)源：NXP；https://www.nxp.com/company/blog/uwb-for-social-distancing-take-the-guesswork-out-of-staying-safe:BL-UWB-SOCIAL-DISTANCING
藍(lán)牙 RSSI 易受干擾，UWB 趁勢(shì)卷土重來(lái)
藍(lán)牙是使用接收信號(hào)強(qiáng)度指示 (RSSI) 技術(shù)來(lái)估算距離，若將手機(jī)藏在背包中、或是信號(hào)必須通過(guò)人體才能到達(dá)另一支手機(jī)，當(dāng)有人離得太近時(shí)，可能無(wú)法顯示讀數(shù)；如果兩個(gè)人并排工作、或一個(gè)人在另一個(gè)人后面，也是如此。其次，金屬物體的存在 (例如，在火車上或沿著超市走道移動(dòng)) 會(huì)增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度，使人誤以為實(shí)際距離更近。再者，室外讀數(shù)通常比室內(nèi)更準(zhǔn)確。事實(shí)上，十大手機(jī)廠商中就有三家在其最新的手機(jī)中導(dǎo)入 UWB 技術(shù)，主要 OEM 廠亦在個(gè)人電腦和智能穿戴式產(chǎn)品中采用。
ABI Research 最新預(yù)估，2025 年 UWB 設(shè)備的出貨量將從 2020 年的 1.5億個(gè)激增至 10 億個(gè)，消費(fèi)電子大廠三星、索尼 (Sony)，芯片制造商 Decawave (已被 Qorvo 收購(gòu))、高通 (Qualcomm)、恩智浦 (NXP)、意法半導(dǎo)體 (ST)，汽車制造商福斯 (Volkswagen)、現(xiàn)代 (Hyundai)、捷豹路虎 (Jaguar Land Rover Automotive)，以及汽車電子巨頭博世 (Bosch) 是主要參與者。另一市調(diào)公司 Transparency Market Research (TMR) 指出，UWB 技術(shù)正被用于空間感知，以便為設(shè)備分配優(yōu)先級(jí)以加快文件傳輸速度。
這是由蘋果 iPhone 12 U1 芯片所帶動(dòng)，可藉以精確定位其他配備 U1 設(shè)備并通過(guò) AirDrop 進(jìn)行文件交換。除了智能手機(jī)和智能家居設(shè)備外，UWB 芯片組廠商正在爭(zhēng)搶控制堆高機(jī) (叉車) 和倉(cāng)庫(kù)機(jī)器人商機(jī)，未來(lái)隨著成本下降，還將擴(kuò)及體育運(yùn)動(dòng)員、動(dòng)物、室內(nèi)導(dǎo)航等應(yīng)用。他們預(yù)估到 2030 年底，UWB 芯片組市值將達(dá)到 3,100 萬(wàn)美元，實(shí)時(shí)位置和距離測(cè)量將為汽車安全遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入 (RKE)、工廠營(yíng)運(yùn)效率及在醫(yī)院中查找必需用品做出貢獻(xiàn)。UWB 因?qū)崟r(shí)提供精確的分析受到歡迎，其無(wú)與倫比的精確度和低功率無(wú)線電協(xié)議為其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
圖3：飛時(shí)測(cè)距 (ToF) 計(jì)算使 UWB 不受基于信號(hào)放大的中繼攻擊影響
資料來(lái)源：NXP；https://www.nxp.com/applications/enabling-technologies/connectivity/ultra-wideband-uwb:UWB
UWB 將取代傳統(tǒng) RFID？華麗轉(zhuǎn)身關(guān)鍵？
TMR 甚至認(rèn)為，UWB 將取代傳統(tǒng)的 RFID (無(wú)線射頻辨識(shí)) 技術(shù)——因?yàn)?RFID 頻率較低且尺寸較大，不適合實(shí)時(shí)追蹤。反觀 UWB 提供 5～10 厘米的精度，正是實(shí)時(shí)追蹤 (尤其是室內(nèi)定位) 最重要的因素，且克服了信標(biāo)技術(shù)在延遲和準(zhǔn)確性的局限；加上使用 3.1?10.6GHz 頻段、不會(huì)干擾 2.4GHz 以下的熱門頻段、最大功率頻譜密度 (PSD) 非常低、幾乎消除信號(hào)攔截可能等諸多好處，讓 UWB 熱度越來(lái)越高。安勤科技 (Avalue) 新推＂RENITY ARTEMIS＂室內(nèi)立即尋址系統(tǒng) (RTLS) 即結(jié)合 UWB 做精確的樓層映像、到達(dá)時(shí)間差 (TDOA) 處理和數(shù)據(jù)計(jì)算。
不過(guò)，UWB 的短距離卻也成為商業(yè)化障礙。因此，UWB 芯片組廠商試圖在同一房間內(nèi)使用設(shè)備克服短距離挑戰(zhàn)，例如，準(zhǔn)確的上下文感知信息或巧妙利用室內(nèi)位置。UWB 之所以能在銷聲匿跡多年后再度奮起，IEEE 802.15.4z 新標(biāo)準(zhǔn)的提案功不可沒——例如，通過(guò)使用 AES-128 加密算法對(duì)物理層 (PHY) 時(shí)間戳序列進(jìn)行加密協(xié)議；經(jīng)由強(qiáng)化 UWB 物理層增強(qiáng)密鑰卡和支付的安全性，并將位置精度提高至＜1 厘米，可進(jìn)一步提升測(cè)距的完整性和準(zhǔn)確性，支持行動(dòng)裝置的實(shí)時(shí)空間脈絡(luò)與無(wú)縫、安全的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)，有利于無(wú)線支付與行動(dòng)金融發(fā)展。
Decawave 率先推出符合 802.15.4z 標(biāo)準(zhǔn)的 UWB 芯片組，增加支持 8GHz 頻段 (第九通道) 設(shè)備的可用性以覆蓋全球。另特別一提的是，愛美科 (imec) 日前在國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議 (ISSCC) 展示全球首款＜5mW 的 802.15.4z IR-UWB 發(fā)射器芯片。imec 憑借創(chuàng)新數(shù)字極性發(fā)射器架構(gòu)將 IC 功耗大幅降低至 4.9mW，并導(dǎo)入鎖定環(huán)形振蕩器 (ILRO) 技術(shù)加速 IR-UWB 發(fā)射器在數(shù)據(jù)封包內(nèi)的信號(hào)工作周期 (Duty Ratio，占空比)，且允許在脈沖之間關(guān)閉部分發(fā)射器以擴(kuò)大節(jié)能效果，在室內(nèi)定位精確、安全測(cè)距與能效之間取得平衡，更具備與 BLE 競(jìng)合的本錢。
圖4：imec 展示首款 IEEE 802.15.4z IR-UWB 發(fā)射器芯片
芯片＆量測(cè)廠商爭(zhēng)先卡位，F(xiàn)iRa、UWBA 協(xié)議分頭并進(jìn)
這款 IR-UWB 發(fā)射器芯片采用 28nm CMOS 制造，實(shí)際占用面積僅 0.15mm²，旨在實(shí)現(xiàn)下一代經(jīng)濟(jì)高效、電池供電的小尺寸 UWB 部署。imec 通過(guò)＂異步脈沖整形＂設(shè)計(jì)滿足 3～10GHz 頻段發(fā)射，適用于全球并允許發(fā)射器在 PSD 工作。imec 表示，他們的策略目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)完整的收發(fā)器，包括新穎的高性能測(cè)距、測(cè)向和定位算法，未來(lái)甚至?xí)U(kuò)展到類似雷達(dá)的應(yīng)用，不僅用于測(cè)量?jī)蓚€(gè) UWB 無(wú)線電之間的距離，還可檢測(cè)被動(dòng)對(duì)象。深圳紐瑞芯科技 (NewRadioTech, NRT) 亦是 UWB 先驅(qū)。
紐瑞芯的 Ursa Major (UMAJ) UWB 系統(tǒng)單芯片 (SoC) 是基于 LitePoint IQgig-UWB 測(cè)試平臺(tái)完成標(biāo)準(zhǔn)化與設(shè)計(jì)驗(yàn)證。LitePoint 的 IQgig-UWB 測(cè)試平臺(tái)是首個(gè)通過(guò) UWB 技術(shù)校準(zhǔn)和驗(yàn)證設(shè)備的全集成式測(cè)試解決方案，可執(zhí)行完整物理層測(cè)試和校準(zhǔn) (包括新版 802.15.4z 標(biāo)準(zhǔn))。此系統(tǒng)采用精確的觸發(fā)和響應(yīng)機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)皮秒級(jí)精度的飛時(shí)測(cè)距 (ToF)，并支持單發(fā)帶寬＞1GHz 的各類發(fā)送器和接收器、以及低于 -100 dBm 的接收器靈敏度測(cè)試。與此同時(shí)，紐瑞芯科技還采用是德科技 (Keysight) 多項(xiàng)量測(cè)儀器加速驗(yàn)證 UWB 互操作性。
圖5：LitePoint IQgig-UWB 完整 UWB 測(cè)試解決方案，所有信號(hào)產(chǎn)生、分析和處理皆在單一儀器內(nèi)完成
是德科技無(wú)線裝置測(cè)試事業(yè)群副總裁暨總經(jīng)理曹鵬強(qiáng)調(diào)，提供準(zhǔn)確的 GHz 帶寬量測(cè)結(jié)果對(duì)于拓展 UWB 設(shè)計(jì)極限至關(guān)重要；另是德科技的 VXT PXI 向量收發(fā)器、信號(hào)產(chǎn)生器、信號(hào)分析儀和向量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA)，可實(shí)現(xiàn)靈敏的接收器和高效率功率放大器 (PA)。兩大產(chǎn)業(yè)組織也持續(xù)分頭推進(jìn)——FiRa 正在制訂標(biāo)準(zhǔn)，以確保 UWB 設(shè)備正常工作；UWB 聯(lián)盟 (UWBA) 正在嘗試使 Wi-Fi 擴(kuò)展到 UWB 也使用的 6GHz 無(wú)線電頻段，一旦 Wi-Fi 信號(hào)發(fā)生短暫停頓，UWB 傳輸冀可趁空填補(bǔ)。
圖6：是德 M9415A VXT PXI 矢量收發(fā)器，在三插槽 PXIe 模塊集成高達(dá) 12 GHz 的矢量信號(hào)發(fā)生器和矢量信號(hào)分析儀，內(nèi)置 1.2 GHz 信號(hào)生成和分析帶寬
圖7：是德 N9020B MXA 多點(diǎn)觸控信號(hào)分析儀，快速因應(yīng) 10 Hz～50 GHz 無(wú)線裝置不斷改變的測(cè)試要求
資料來(lái)源：https://www.keysight.com/en/pdx-2642774-pn-N9020B/mxa-signal-analyzer-multi-touch-10-hz-to-265-ghz
FiRa 訂標(biāo)準(zhǔn)、UWBA 顧應(yīng)用，生態(tài)系再擴(kuò)大
UWBA 亦有開設(shè)應(yīng)用咨詢服務(wù)，微定位技術(shù)公司 Humatics 是首家尋求該服務(wù)的企業(yè)。去年美國(guó)紐約布魯克林區(qū)開始為火車建構(gòu) UWB 導(dǎo)航系統(tǒng)，期借助精確定位幾厘米內(nèi)的火車位置，使列車更安全地并排運(yùn)行并加快通勤速度，未來(lái)還打算將這種服務(wù)擴(kuò)展到全球。該方案由西門子 (Siemens) 提供，使用 Humatics 的 UWB 信標(biāo)、節(jié)點(diǎn)和軟件來(lái)提供位置數(shù)據(jù)。于 2020 年 7 月收購(gòu) UWB 先驅(qū)廠商 BeSpoon 的 ST，隨后已加入 UWBA 并加入理事會(huì)，同時(shí)提名 UWB 創(chuàng)新者 Jean-Marie André 擔(dān)任理事會(huì)成員。
圖8：UWB 可在一英尺范圍內(nèi)定位火車在軌道上的位置，通過(guò)提高定位性能，可拉近火車間距，提高運(yùn)輸能力
資料來(lái)源：Humatics；https://humatics.com/blog/humatics-celebrates-one-year-anniversary-of-uwb-based-positioning-system-pilot-accelerating-mta-signal-modernization/
ST 此舉意在進(jìn)一步強(qiáng)化 STM32 微控制器 (MCU) 系列產(chǎn)品和支持配套無(wú)線連接性能——STM32無(wú)線產(chǎn)品已包含 4G LTE、Wi-Fi、藍(lán)牙、NFC、LoRa 和 Sigfox 等無(wú)線電技術(shù)。ST 表示，UWB 無(wú)線技術(shù)將改變電子通信、感測(cè)、定位和影像裝置的性能，并解決從消費(fèi)性的智慧手機(jī)到工業(yè)、醫(yī)療和國(guó)土安全的各種應(yīng)用問題，諸如汽車的遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入 (RKE) 系統(tǒng)、高分辨率 COVID-19 接觸者追蹤、安全支付、娛樂設(shè)備、醫(yī)療及許多其他智慧物聯(lián)網(wǎng) (AIOT) 服務(wù)皆是 UWB 潛力發(fā)展領(lǐng)域，還可為位置提供增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 指導(dǎo)。
UWB 具有空間感知功能，即使丟失物品被埋在沙發(fā)墊下或抽屜內(nèi)也能輕松找到；Tile 下一代追蹤器，亦可能新增或轉(zhuǎn)向 UWB 版本。UWB＋AR 可通過(guò)行動(dòng) APP 引導(dǎo)用戶啟動(dòng) AR 相機(jī)視圖、構(gòu)成迭加圖 (如：方向箭頭和物品位置的 AR 視圖)，以找到丟失物品的位置；這兩年＂即將推出＂傳聞不斷的蘋果 AirTag，諸多話題亦與 AR 形影不離。趕在蘋果 AirTag 正式問市前，三星搶先發(fā)布 Galaxy SmartTag plus 將支持 UWB 的消息，并與寶馬 (BMW)、奧迪 (Audi)、福特 (Ford) 和現(xiàn)代集團(tuán)子公司捷恩斯汽車 (Genesis Motor) 建立＂數(shù)字鑰匙＂合作伙伴關(guān)系。
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