UWB，更進一步

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，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UWB信號。隨后的幾十年里，UWB發(fā)展幾經(jīng)浮沉。直到1989年，美國國防部創(chuàng)造了“超寬帶”（Ultra-Wideband：UWB）一詞，UWB進入了發(fā)展新階段，但其應(yīng)用場景，依然離消費者很遠。

但如文章開頭所說，在iPhone 11之后，UWB終于在消費市場找到了一席之地。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，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可以更精確地測量無線電信號的飛行時間，從而實現(xiàn)厘米級精度的距離/位置測量。作為引起新一輪熱潮的應(yīng)用，智能手機和類似AirTags之類的產(chǎn)品無疑是UWB首先發(fā)力的市場。與此同時，開發(fā)者還在迅速崛起的智能車市場和工業(yè)、醫(yī)療市場中為UWB尋找一席之地。

誠然，UWB有不少先天優(yōu)勢。

以UWB另一個主要應(yīng)用方向——汽車準(zhǔn)入方案應(yīng)用為例，作為進入汽車的重要入口，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。于是，擁有抗干擾能力強、定位精度高等特性的UWB，成為了汽車被動進入系統(tǒng)的新選擇。

“ UWB是一種短距離高頻無線技術(shù)，擅長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，這種攻擊會誘使車輛誤以為鑰匙就在附近。但UWB通過使用雙向測距和時間戳驗證來解決這個問題，以確保設(shè)備（通常是智能手機或鑰匙扣）確實位于車輛附近。”負責(zé)推廣并維護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)勢的UWB在過去幾年的發(fā)展中，進展緩慢，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 。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)動程序來實現(xiàn)完整的功能。

對于擁有強大研發(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 ，因為開發(fā)者可以通過深度定制MCU來達到最佳的系統(tǒng)性能。然而，對于大多數(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 ；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，這可能會引致某些謹慎客戶將其拒絕在潛力巨大的汽車市場大門之外。

正是因為上述問題，UWB技術(shù)在過去幾年里并沒有在廣泛市場中獲得想象中的普及與應(yīng)用。但到了今天，市場似乎產(chǎn)生了新的變化。

走向集成，迎來拐點

毋庸置疑，UWB能獲得進步，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UWB普及方面功不可沒。例如針對分立方案的問題，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，在其中集成了包括四個靈活的射頻端口、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)計門檻，加速了產(chǎn)品的上市進程。

得益于這些領(lǐng)先配置， 這顆低功耗UWB SoC能提供片上計算功能，用于測距、AoA、雷達和數(shù)據(jù)傳輸功能 。值得一提的是，該方案在支持FiRa、Omlox和Aliro測距方案的同時，還能 將精度做到±5cm ， 到達角（AoA）精度更是高達±2 。這些優(yōu)勢讓其在工業(yè)和消費級市場找到更多的應(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、工廠倉庫的物流追蹤、工位人員離開解鎖/上鎖電腦、兩輪車/汽車的接近檢測等應(yīng)用；甚至在對可靠性有高規(guī)格要求的 醫(yī)療市場 ，UWB也能找到生存空間。

針對這些市場，Qorvo的QM35825能通過提供 微定位精度 和 可靠測距 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，提高雷達探測精度和穩(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，Qorvo還推出了 符合車規(guī)認證的車規(guī)級UWB SoC——QPF5100Q 。據(jù)了解，這款產(chǎn)品 通過了AEC-Q100 Grade 2車規(guī)認證 ，能夠在-40℃至+105℃的極端溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運行，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針對汽車應(yīng)用的需求，對其做了很多獨特的設(shè)計。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 ，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。

對于包括QM35825和QPF5100Q在內(nèi)的UWB SoC來說，有一個值得強調(diào)的亮點，那就是其不僅符合了中國最新的UWB頻譜規(guī)范，也能適應(yīng)歐美市場的標(biāo)準(zhǔn)，用“一芯全球化部署”的設(shè)計，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，而不需要針對不同地方不同頻段做更多做重復(fù)設(shè)計。

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)計師能夠定制獨特的功能，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。

展望未來，大有可為

在芯片走向集成的同時，產(chǎn)業(yè)鏈還在當(dāng)前的應(yīng)用場景下，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，這個技術(shù)除了測距，還能夠判斷方向。于是，類似門禁和智能門鎖等市場，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門禁控制項目，并讓所有制造商都能掌握智能鎖設(shè)計技術(shù)。

除了前文談到的工業(yè)和消費場景外。現(xiàn)在火熱的汽車市場，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：歐洲新車安全評鑒協(xié)會）就引入了兒童存在檢測的評分標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)其規(guī)定，新車強制要求加入兒童存在檢測（CPD：Child Presence Detection），以檢測車內(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)測細微的呼吸和心率變化的UWB雷達，正是這個應(yīng)用的首要選擇。和傳統(tǒng)的攝像頭檢測方案不一樣， UWB雷達在兼顧安全性和功能性的同時，還保護了乘客的隱私 。同時，UWB雷達工作頻率還相對較低，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)測提供了更多地保障。

此外，因為該技術(shù)還 利用了多普勒效應(yīng)計算速度，能夠精確探測到非常細微的動作 ，包括嬰兒的呼吸，這就使得其在車載監(jiān)控方面的優(yōu)勢也顯而易見。

UWB雷達還有很多其他用途。例如， 運動檢測 使其適合用于更精確、更經(jīng)濟的安全系統(tǒng) ，而無需集成額外的傳感器。由于其能夠檢測生命體征，UWB雷達還可以 消除行李放置在座椅上時產(chǎn)生的錯誤安全帶警報 ；而使用UWB的手勢識別功能，則可以 在控制方面為汽車帶來更多的賦能 。

針對這些需求，Qorvo和合作伙伴共同推動QPF5100Q經(jīng)過了NCAP的認證。“基于穩(wěn)健的產(chǎn)品路線圖， Qorvo的汽車UWB解決方案具備可擴展的系統(tǒng)架構(gòu)和持續(xù)的技術(shù)進步，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等廠商的推動下，UWB正在加速普及。展望未來，我們希望能看到這個存在已久的技術(shù)給我們帶來新驚喜。