【芯历史】起源于上世纪的UWB技术,如今成短距离通信技术的新贵

《【芯历史】起源于上世纪的UWB技术,如今成短距离通信技术的新贵》

老伙计网消息(文/Jimmy),苹果去年发布的iPhone 11系列手机均搭载了支持UWB技术的U1芯片,当时苹果介绍称,U1芯片可进一步提升手机定位能力,简单来说便是应用于隔空传送,距离越近越能先得到响应。

发布至今,iPhone 11系列被消费者记住的点大多是夜拍,超广角,快充等,对于U1芯片少有人问津。不过到了今年,传闻中的Air Tag或将面世,高端头戴式耳机AirPods Studio被曝搭载U1芯片用以监控佩戴情况,相信未来U1芯片会出现在苹果各式各样的产品中。

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很明显,苹果对旗下产品植入UWB技术的兴趣很浓厚,且不仅只是用于室内定位。其实UWB技术并不是一项新技术,恰恰相反,它的概念始于上世纪初,可以算是一项枯萎技术了。

UWB的诞生

UWB全称Ultra Wide Band,译为超宽带。UWB的概念最初由Maconi和Hertz在1900年左右提出,1927年之后,这项技术由于频谱利用率低下被彻底淘汰。

现代UWB技术是始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术。UWB技术利用频谱极宽的超宽基带脉冲进行通信,故又称为基带通信技术、无线载波通信技术等。这项技术由Sperry研究中心的Gerald、Ross、Robbins博士,美国天主教大学的Henning、Harmuth博士和USAF开发中心共同提出。

UWB技术在20世纪70年代获得了重要的发展,Ross和Robbins博士在1972年-1987年间对时域电磁场波的研究和大量专利使他们成为UWB应用领域上的先锋。此后UWB主要用于军用雷达、定位和低截获率/低侦测率的通信系统中。1989年美国国防部首次使用了UWB这一术语,意指产生、传输、接收一段持续时间非常短(纳秒或以下)的爆发式射频能量脉冲。

2002年2月,美国联邦通信委员会发布了民用UWB设备使用频谱和功率的初步规定。该规定中,将相对带宽大于0.2或在传输的任何时刻带宽大于500MHz的通信系统称为UWB系统,同时批准了UWB技术可用于民用商品。随后,日本于2006年8月开放了超宽带频段。

FCC对UWB的使用制定了非常严苛的规定,准许UWB技术用于民用范围的条件是在发送功率低于美国放射噪音规定值-41.3dBm/MHz(功率为1mW/MHz)的条件下,将3.1GHz-10.6GHz的频带用于对地下和隔墙之物进行扫描的成像系统、汽车防撞雷达以及在家电终端和便携式终端间进行测距和无线数据通信。

自2002年以后,UWB技术进入高速发展,各种技术方案层出不穷。由于UWB背后的可利用价值,国际统一的标准制定被提上议程。

UWB标准的制定

在电气电子工程师学会IEEE中,UWB属于1999年成立的802.15 WPAN工作小组,该小组由四个标准化项目组成:IEEE 802.15.1、IEEE 802.15.2、IEEE 802.15.3、IEEE 802.15.4。

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从2002年IEEE开始制定802.15.3a时,对于UWB技术的建议出现了两大阵营。一个是由英特尔和TI领导的OFDM联盟(MBOA)提出的多频波正交频率复用(MB-OFDM)建议。MBOA包括多数世界上最大的半导体、消费电子产品和计算机制造商在内的40个供应商。

另一个是由摩托罗拉、decaWave和Oki半导体公司的行业组织联合支持的直接序列UWB(DS-CDMA)建议。该建议是基于摩托罗拉获得的Xtreme Spectrum所创建的技术。

MBOA在2003年的表决中得到60%的选票,DS-CDMA在2004年得到多数选票,但双方均未满足IEEE规定的75%绝对多数票数,因此均未能成为超宽带标准。此外,两种建议在技术方面差别很大,无法互相兼容,因此802.15.3a无法统一这二种方案,在2006年,802.15.3a工作组解散。

主导MB-OFDM UWB方案的联盟在2007年3月将基于该方案的标准提交到ISO并得到认证,成为超宽带技术的第一个国际标准。在制定802.15.3a技术标准的同时,802.15.4a标准也开始被制定,其主要面向的是低速低功耗无线个人局域网应用领域,相对于802.15.3a技术之争,802.15.4a标准进展比较顺利,2004年3月,802.15.4a工作组正式成立,2005年3月工作组制定出技术方案,该方案采用两种可选择的物理层,由超宽带脉冲无线电(IR-UWB, Impulse Radio UWB)和Chirp扩频(CSS, Chirp Spread Spectrum)组成。

最终在2007年3月,IEEE 802.15.4a被IEEE-SA标准委员会批准为IEEE 802.15.4-2006,在2011年和2015年该标准又得到补充修订,分别命名为IEEE 802.15.4-2011和IEEE 802.15.4-2015。

基于脉冲式超宽带技术,IEEE 802.15.4a协议以一定的占空比发射脉冲,具有较大的低功耗潜能,这对于电池供电的无线通信系统具有很大的优势。据报道称 ,苹果U1芯片就是基于该标准设计。

在FCC公布UWB相关规定后,中国在标准制定及频谱规划方面也做了调研准备工作。2008年,工信部正式颁布超宽带技术相关的频率规定。中国的UWB标准采用了OFDM双载波技术,包含两个载波的OFDM超宽带信号进行数据传输,中国的UWB标准使用的频段主要集中在6-9 GHz。

UWB技术优势及未来发展

UWB技术解决了困扰传统无线通信技术多年的有关传播方面的重大难题,具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、截获率低、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。

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甚至达到数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。

超宽带的传输距离都是在十米之内,它的传输速率高达480Mbps,是蓝牙的159倍,是Wi-Fi标准的18.5倍,非常适合多媒体信息的大量传输。

相比WiFi和蓝牙,UWB技术具有如下几个优势:

1.频段利用率高

2.传输速率高

3.高时间分辨率

4.能效高

5.电磁兼容性强。

基于上述优点,UWB成为短距离无线通信技术的强大竞争者,能应用在很多领域。

其中一个便是高精度室内定位,这也是苹果Air Tag所要展现的功能。目前,常用的UWB测距方法有三种:ToF,通过测量UWB信号在基站与标签之间飞行的时间来测距;TDOA,利用UWB信号由标签到达各个基站的时间差进行定位;PDOA,利用到达角相位来测量基站与标签之间方位关系。

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国际上有多个组织一直在举办室内定位赛,其中微软室内定位赛是公认的最好的比赛。从2015年以后,UWB在高精度定位技术中的优势就逐渐显现,前三名都有其身影。

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2018微软室内定位大赛,南京申宁达智能科技有限公司与南京爱锑奕电子科技有限公司联合组队获得3D组亚军,这是历年来中国团队在该项赛事3D组取得的最好的成绩。据了解,申宁达/爱锑奕团队研发的就是基于超宽带(UWB)技术的室内定位系统。

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UWB的出现顺应了电子行业发展的趋势。随着手表、耳机等可穿戴式设备的兴起,用户对于不同设备之间的互联互通要求日益提升。WiFi、蓝牙、NFC等是个人局域网通信的几种重要方式。基于传输速度、距离、耗电量、安全性、价格或者用户特殊的需求等方面,这几种技术在不同的场合有着各自的优势。

不仅苹果在布局UWB技术的相关应用,三星、索尼、博世、恩智浦等巨头也在抱团组建FiRa联盟,有望快速建立完整的生态系统。

根据市场调研机构market&market预测,全球室内定位市场规模将由2017年71.1亿美元增长到2022年的409.9亿美元,并将保持42%的复合增长率。因此,UWB定位行业正处于快速发展时期。

东方证券认为,在ToB市场,UWB技术产业链较为简单,可以分为芯片和解决方案两个环节,有些公司甚至从事芯片和解决方案的完整布局。在ToC市场,UWB技术产业链正形成芯片、模组、整机等多个环节,此外,UWB技术也为FPC、功能结构件等产业打开新的市场。

苹果对UWB技术的应用将加速产业链的发展和成熟,拥有非常广阔的发展前景。如同苹果描述U1芯片的那样,“这仅仅只是开始,让人期待的还多着呢。”

(校对/零叁)

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