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什么是UWB（超寬帶）無線通信？

來源：泰然健康網(wǎng) 時間：2024年12月07日 14:54

2023/09/27 UWB 定位測距無線通信高頻

1. 什么是UWB（超寬帶）？

UWB是Ultra-Wide Band的縮寫，意思是超寬帶。UWB無線通信是使用超寬帶的頻率帶寬的無線通信，其主要特征是能夠?qū)崿F(xiàn)高精度定位。近年來，已普及至智能手機防丟失、高階汽車智能鑰匙等民用設(shè)備。預(yù)計未來將在多個領(lǐng)域普及。

在此對UWB無線通信的特征、歷史和用途等進行解說。

2. UWB無線通信的特征

IEEE802.15.4z是UWB無線通信的代表性標準，其中有使用Impulse Radio的方式，Impulse Radio使用持續(xù)時間短的脈沖信號。該標準的主要特征如下：

高精度測距和定位安全性高對其他通信干擾弱低功耗

對UWB無線通信如何展現(xiàn)這些特征進行解說。

圖1 UWB無線脈沖方式的波形

在UWB無線通信中，如圖1所示，將寬度為2ns（納秒，10-9秒）左右的脈沖作為數(shù)據(jù)進行傳輸。這種短持續(xù)時間脈沖具有能進行高分辨率的測距和定位的特性

另一方面，時域中的脈沖寬度小意味著頻域中的功率譜占據(jù)很寬的頻帶（通信中的時域和頻域?qū)⒃谄渌撁娼庹f）。

圖2定性地顯示了該頻域中UWB無線通信的傳輸功率（功率譜密度）。例如，如果同第2代手機和Wi-Fi以及第3代手機等傳統(tǒng)通信所使用的頻率帶寬相比較，可以看到UWB無線通信的頻率帶要寬得多。

此外，UWB無線通信的傳輸功率峰值不僅低于其他通信方式，而且其設(shè)定值低于FCC（Federal Communication Commission：美國聯(lián)邦通信委員會）*1規(guī)定的無線電波輻射數(shù)字設(shè)備的噪聲水平規(guī)定值-輻射電磁噪聲規(guī)定值?41.3dBm/MHz*2(75nW/MHz)。

由于UWB無線通信具有以上所述的使用頻率帶寬、傳輸功率等級低于噪聲等級的通信特性，因此對其他通信的干擾較弱，且通信本身不為第三方所知，所以其安全性高，而且，還具有能進行低功耗通信的特點。

圖2 UWB無線通信方式與其他通信方式的功率譜密度帶寬定性比較示意圖

*1 FCC（Federal Communication Commission：美國聯(lián)邦通信委員會）：在美國參與管理和監(jiān)管美國全部通信（無論是無線還是有線）的政府機構(gòu)。

*2 dBm/MHz：每1MHz頻率寬度的功率等級（功率譜密度）。dBm是將功率轉(zhuǎn)換為常用對數(shù)時的單位。在通信領(lǐng)域中，需要處理的數(shù)值范圍很廣，直接處理很不方便。所以通常使用對數(shù)表示來縮小其范圍。

3. UWB技術(shù)的歷史和法規(guī)

自1960年代以來，UWB技術(shù)在美國主要作為軍用雷達進行研究。直到1994年左右，它還是一種被視為軍事機密的通信技術(shù)。從1998年左右開始，美國FCC開始考慮將UWB用于民用，并于2002年獲得批準，此后，UWB芯片套件等的研究不斷向前推進。

到2019年之后，UWB才廣為公眾所知。引發(fā)這一現(xiàn)象的是配備UWB模塊的智能手機的問世。由此，在過去未將UWB用于民用目的的國家，使用許可也取得了進展。

UWB技術(shù)就是這樣發(fā)展起來的，如果特別關(guān)注頻率帶寬規(guī)定的話，會發(fā)現(xiàn)FCC分配的UWB無線電頻率帶寬是3.1GHz-10.6GHz之間的7.5GHz。另一方面，歐盟、歐亞大陸、東亞、大洋洲等國家和地區(qū)分配的帶寬與此略有不同，其規(guī)定是在室內(nèi)和室外主要能使用6.0GHz-9.0GHz左右的帶寬。

然而，目前大多數(shù)UWB模塊遵守的是IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers：電氣與電子工程師協(xié)會）*3在 2007年采用的短距離無線標準IEEE802.15.4a中指定UWB優(yōu)先使用通道號9（中心頻率：7987.2MHz，頻率帶寬：499.2MHz）的規(guī)格。

*3 IEEE（Institute of Electrical and Electronic Engineers：電氣與電子工程師協(xié)會）：世界上最大的電氣領(lǐng)域?qū)W術(shù)研究組織。也是該領(lǐng)域的技術(shù)標準化組織。

4. UWB無線通信的用途

對UWB無線通信在民用和工業(yè)中的主要用途以及今后可期待的用途進行介紹。

4.1 民用UWB無線通信設(shè)備和服務(wù)

防范丟失

通過在物品上貼上UWB標簽，可以防范其丟失。例如，將UWB標簽貼在包、錢包、鑰匙等上面，使用配備有UWB模塊的智能手機，可以以cm級精度定位UWB標簽的位置，并找到這些物品。此外，雖然UWB標簽的電池是紐扣電池，但由于功耗低，所以被認為可以使用1年左右。

自2019年以來，UWB模塊不僅越來越多地配備在智能手機中，而且還配備在平板電腦、智能手表和智能音箱等民用設(shè)備中。今后，隨著使用UWB無線通信的各式產(chǎn)品和服務(wù)的出現(xiàn)，預(yù)計將成長為一個大規(guī)模的市場。

安全地入退館和入退室

通過使用配備UWB模塊的智能手機，可以構(gòu)建不用手且安全地入退館和入退室的系統(tǒng)。

利用UWB的高精度測距和高安全性的特征，可以在迄今為止使用密碼、物理鑰匙、IC卡等的公寓等住宅以及處理機密信息的辦公室和工廠等處不需要取出鑰匙以及IC卡，將智能手機等放在口袋或包里即可安全地解鎖入口。能夠順利入退館和入退室的應(yīng)用程序有望得到普及。

免提支付和計費

通過使用配備UWB模塊的智能手機，可以在超市、便利店、餐館等商業(yè)設(shè)施構(gòu)建不用手且安全的支付系統(tǒng)，此外，還能在車站檢票口、娛樂設(shè)施、住宿設(shè)施、停車場等處構(gòu)建計費系統(tǒng)。

利用UWB的高精度測距和高安全性的特征，不需要拿出錢包、IC卡、智能手機等即可不用手、順利地進行支付和計費的應(yīng)用程序有望得到實用化和普及。

4.2 汽車用UWB無線通信設(shè)備及應(yīng)用

智能鑰匙

作為利用UWB無線的高精度測距和定位的用途之一的是汽車智能鑰匙。例如，可以配備以下操作功能：通過在汽車附近使用UWB進行無線通信在約1m以內(nèi)判斷車主并解鎖，或者在車主位于數(shù)十厘米以內(nèi)時啟動發(fā)動機。

此外，由于UWB無線的傳輸功率很低，是一種具有高度保密性的通信，因此可以防范中繼攻擊（第三方中繼傳統(tǒng)無線鑰匙持續(xù)輸出的電波并解鎖的盜竊手段）等，強化安全性。

車載網(wǎng)絡(luò)的無線化

如今，配備各式各樣的傳感器、雷達、AI系統(tǒng)等并讓它們相互合作的汽車IoT化不斷發(fā)展，作為CAN（Controller Area Network）等車載網(wǎng)絡(luò)使用的線束（由電線和連接端子組成的車載部件）據(jù)說在某些車型上的總長度已達到10km，總重量已達到50kg。作為聯(lián)網(wǎng)汽車也在并行發(fā)展，在這種情況下，與其他通信之間的干擾較弱的UWB無線技術(shù)被認為在實現(xiàn)車載網(wǎng)絡(luò)無線化中非常有效。

4.3 工業(yè)用UWB無線通信設(shè)備和系統(tǒng)

工廠、倉庫等的實時定位系統(tǒng)

使用多個UWB錨點和UWB標簽*4，可以構(gòu)建高精度、實時掌握放置在工廠和物流現(xiàn)場等處的部件和包裹等的位置的系統(tǒng)-實時定位系統(tǒng)（RTLS：Real Time Location System）。

*4 在使用UWB無線通信進行定位時，標簽發(fā)出的信號被多個錨點接收，并能通過對信息進行處理來準確確定標簽的位置（參見專欄）。工業(yè)UWB錨點通常與定位引擎、應(yīng)用服務(wù)器等結(jié)合使用。

5. 村田制作所的UWB模塊

村田制作所（以下簡稱村田）采用NXP或Qorvo的UWB芯片套件，提供使用一系列村田高可靠性濾波器、時鐘和天線等外圍組件組成的小型、低功耗UWB模塊。

5.1 基于NXP的UWB模塊

Type 2BP

［主要用途］包括電池驅(qū)動設(shè)備在內(nèi)的一般IoT設(shè)備。
采用NXP Trimension? SR150 UWB芯片套件。是由樹脂模具加保形屏蔽組成的小型模塊，通過3天線規(guī)格支持2D AoA和3D AoA。

Type 2BP | 基于NXP的UWB模塊

Type 2DK

［主要用途］使用紐扣電池低功耗工作的UWB標簽/跟蹤器以及一般IoT設(shè)備。
采用NXP Trimension? SR040 UWB芯片套件和NXP QN9090 Bluetooth? LE + MCU芯片套件的組合模塊，以與板載天線及外圍組件一體化的方式配備。

Type 2DK | 基于NXP的UWB模塊

5.2 基于Qorvo的UWB模塊

Type 2AB

［主要用途］使用小型電池工作的IoT設(shè)備及應(yīng)用。
采用Qorvo QM33120芯片套件的超小型、高質(zhì)量、低功耗UWB模塊。配備了用于UWB喚醒（解除睡眠狀態(tài)）及固件更新的Bluetooth? LE芯片套件、本公司的加速度傳感器、UWB及MCU的基準時鐘等。

Type 2AB | 基于Qorvo的UWB模塊

專欄-UWB中的定位方法

作為使用UWB無線通信的定位方法，代表性的方法是將配備UWB功能的智能手機等終端或工業(yè)用UWB 錨點、通過UWB標簽之間的ToF（Time of Flight）進行的測距以及通過AoA（Angle of Arrival）進行的測量角度進行組合。以下對每種方法分別進行解說。

通過ToF（Time of Flight）進行的測距

通過使用UWB無線通信的ToF（Time of Flight）技術(shù)進行測距的原理是：通過測量從消息（信號）發(fā)送到接收的時間來計算到物體的距離。具體而言就是UWB發(fā)射器發(fā)送短脈沖信號，接收器接收該信號。從發(fā)送到接收所需的時間稱為ToF。

使用ToF技術(shù)的UWB測距可以根據(jù)電磁波的速度（光速）和所需的時間來計算距離。具體而言就是用所需時間和光速的乘積求出距離?？梢酝ㄟ^UWB的超寬帶特性利用短脈沖信號，因此，可以獲得很高的時間分辨率和測量精度。由此，在傳感和定位應(yīng)用中可有望得高精度的測量結(jié)果，因此已被應(yīng)用于各式各樣的領(lǐng)域。

UWB測距技術(shù)主要有2種手法：SS-TWR（Single-Sided Two-Way Ranging）和DS-TWR（Double-Sided Two-Way Ranging）。這些手法采用不同的方法通過信號往返進行距離測量。

SS-TWR（Single-Sided Two-Way Ranging）：

SS-TWR是一種僅由一方的設(shè)備測量往返時間的方法。在這種手法中，設(shè)備A向設(shè)備B發(fā)送信號，設(shè)備B收到該信號后，向設(shè)備A發(fā)送回復(fù)信號。設(shè)備A測量從發(fā)送到接收所花費的時間并計算往返時間。此方法僅使用設(shè)備A就能進行測量，但需要兩個設(shè)備的時鐘同步。

DS-TWR（Double-Sided Two-Way Ranging）：

DS-TWR是一種用兩臺設(shè)備測量往返時間并共享結(jié)果的方法。在這種手法中，設(shè)備A向設(shè)備B發(fā)送信號，設(shè)備B收到該信號后，向設(shè)備A發(fā)送回復(fù)信號。設(shè)備 A和設(shè)備B分別測量各自從發(fā)送到接收所需要的時間，并使用這些結(jié)果計算往返時間。這種方法不需要時鐘同步，因此測量更容易，精度更高。

圖3 UWB中通過ToF（DS-TWR）進行測距的示意圖

通過AoA（Angle of Arrival）進行的角度測量

AoA是一種計算從設(shè)備A看到的設(shè)備B放置方向的角度的方法。如圖4所示，UWB無線中通過AoA進行的角度測量的原理是：設(shè)備B發(fā)射的電波被設(shè)備A的多根天線接收，并且根據(jù)接收的電波的相位差計算角度。使用這種方法，能通過用2根天線進行的角度測量（2D AoA）進行平面定位，以及通過用3根天線進行的角度測量（3D AoA）進行三維定位。

圖4 UWB無線中的AoA（2D AoA）示意圖

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