超宽带(UWB)技术、应用及芯片厂商

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跟WiFi和蓝牙一样,超宽带(UWB)是一种短距离无线通信协议,自从2019年苹果在其iPhone 11中引入UWB芯片U1和AirTag功能以来,UWB便开始走入大众视野,成为短距离无线通信和精确定位的热门应用。UWB原本限于军事用途,2002年美国联邦通信委员会(FCC)发布UWB商用化规范,允许UWB使用非授权许可的频带,其频率范围从3.1至10.5 GHz。FCC和国际电信联盟 (ITU) 将UWB 定义为发射信号带宽超过500 MHz的天线传输,这种基于脉冲的通信系统的每个发射脉冲可以占用至少500 MHz的UWB 带宽。

UWB不使用载波,而是利用纳秒(ns)至皮秒(ps)级的非正弦波窄脉冲传输数据,所采用的时间调变技术令其传送速度大大提高,而且耗电量相对较低,而且具有精确的定位能力。与常见的无线通信所使用的连续载波方式不同,UWB采用极短的脉冲信号来传送数据,这些脉冲所占用的带宽可以达到几个GHz,因此最大数据传输速率可以达到几百Mbps。因为使用的是极短脉冲,在高速通信的同时,UWB设备的发射功率却很小,仅仅只有目前连续载波系统的几百分之一。

 

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与其他短距离通信协议相比,UWB 的频谱密度如上所示。 UWB在信号密集的环境中可以高效运行,几乎没有干扰。它在3.1-10.6 GHz的频率范围内工作,所需传输功率从0.5mW 到41.3 dBm/MHz。UWB的传输距离在10米左右,其传输速率高达480Mbps,比蓝牙高数十倍,非常适合多媒体信息的大量传输。

 

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UWB的主要应用包括:通信和感应、定位和跟踪,以及雷达探测。相比WiFi和蓝牙定位技术,UWB的高精度测距和室内定位功能具备以下优势:

1)定位精度高:带宽决定了信号距离的分辨能力(成正比关系)。UWB在距离分辨能力上高于其他技术,其分辨能力的精度在特定条件下可以到达传统系统的百倍以上。超宽带脉冲信号的宽带在纳秒级,定位精确度通常小于几厘米。

2)安全性高:UWB的发射功率低,信号能够很好地隐蔽在其他类型信号和环境噪声之中,传统的接收机无法识别和接收,必须采用与发射端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调,因此具有较强的系统安全性。

3)抗干扰能力强:从射频机制来看,UWB发射的脉冲波抗干扰能力比连续的电磁波强,并且UWB工作的频段在3GHz-10GHz,相比2.4G频段的无线定位技术,外界的干扰信号也少很多。

4)传输速率高:信道容量与带宽成正比,UWB具备较宽的带宽,因此具有较高的传输速率。

5)功耗较低:在短距离通信应用中,UWB发射机的发射功率一般低于1mW;较低的发射功率可以延长系统的工作时间,而且对人体的电磁波辐射也很小。

 

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UWB的主要应用场景包括:

  • 消费类应用 -- 手机及标签附件、智能家居、无人机/机器人、移动支付、可穿戴设备、VR/AR
  • 车载应用 -- 无钥匙进入系统、地下车库及停车场导航、远程泊车、V2X和ADAS、车辆内部探测、接近感应
  • 行业应用 -- 工厂车间、医院/养老中心、智能建筑、新零售、智慧农业、智慧城市

据Techno Systems市场调研预测,UWB具有与蓝牙和WiFi同等市场规模的发展潜力,预计到2027年全球UWB芯片出货量将超过12亿颗,其中占比最高的是智能手机和汽车应用。

 

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目前可以供应UWB芯片及应用方案的国际厂商包括:

  • Decawave:2020年被Qorvo以4亿美元收购;
  • NXP:发布UWB+SE芯片,主打汽车无钥匙进入应用市场;
  • 3db Access:瑞萨将获得3db UWB的技术许可,双方合作共同为智能家居、物联网(IoT)、工业4.0,以及移动计算和车联网应用提供安全访问解决方案;
  • 苹果U1:自iPhone 11以来的iPhone和iPad都采用了UWB技术;
  • Microchip:2021年发布UWB芯片产品
  • CEVA:UWB技术方案和IP
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