超寬帶 （UWB） 是一種基于 IEEE 802.15.4a 和 802.15.4z 標(biāo)準(zhǔn)的無線電技術(shù)，可以非常準(zhǔn)確地測量無線電信號的飛行時間，從而實現(xiàn)厘米精度的距離/位置測量。

所謂，IEEE 802.15.4a ，是定義 IR-UWB 物理層的國際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)旨在提供非常高精度的定位，同時提供高達(dá) 27Mbps 的同步雙向通信，以收集傳感器數(shù)據(jù)和控制執(zhí)行器。該標(biāo)準(zhǔn)于 2005 年啟動并于 2007 年獲得批準(zhǔn)，然后于 2011 年完全集成。2018 年，該標(biāo)準(zhǔn)以802.15.4z 的形式重新開放，以進(jìn)一步增加物理層的安全性，因為現(xiàn)在預(yù)計 UWB 將用作汽車和移動行業(yè)的安全交易無線技術(shù)。

除了這種獨特的功能外，UWB 還提供數(shù)據(jù)通信功能。同時使用極少的功耗——使紐扣電池運行多年而無需充電或更換。通過結(jié)合準(zhǔn)確的定位和通信。此外，UWB 還提供了一種新的無線安全通信方式，為新形式的安全交易打開了大門。

UWB 的工作原理

UWB 利用飛行時間 （Time of Flight：ToF），這是一種通過將信號的飛行時間乘以光速來測量兩個無線電收發(fā)器之間距離的方法。從這個基本原理出發(fā)，UWB 技術(shù)可以根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用需求以不同方式實現(xiàn)，分別是 TWR（Two Way Ranging）、TDoA （Time Difference of Arrival） 或 PDoA（Phase Difference of Arrival ）。

其中 TDoA 方法與 GPS 非常相似。多個參考點（稱為錨點：anchors）部署在一個場地中并且是時間同步的。移動設(shè)備將發(fā)出信標(biāo)，當(dāng)“錨”接收到信標(biāo)信號時，它會為其添加時間戳（timestamp）。然后將來自多個錨點的時間戳發(fā)送回中央定位引擎，該引擎將根據(jù)信標(biāo)信號的到達(dá)時間差運行多點定位算法，以計算移動設(shè)備的 X、Y、Z。

采用這種方法的優(yōu)點之一是低功耗。據(jù)統(tǒng)計，采用這種設(shè)計的標(biāo)簽的電池壽命可以長達(dá) 7 年（CR2032 – 0.1Hz 更新率）。同時，還能布置非常高密度的設(shè)備（數(shù)以千計）。但這種方法還是有缺點，例如錨點需要時間同步和復(fù)雜的部署。

至于 TWR 方法，TWR 方法依賴于兩個設(shè)備之間的雙向通信。在進(jìn)行通信時，這些設(shè)備還會測量它們之間 UWB RF 信號的飛行時間。通過將信號的往返時間乘以光速，然后除以 2，您可以得出兩個設(shè)備之間的實際距離。

如果在兩個設(shè)備之間應(yīng)用 TWR 方案，您將獲得兩個設(shè)備之間的距離 （D）。基于 TWR 方案，您還可以通過測量移動標(biāo)簽和固定信標(biāo)之間的距離來實現(xiàn) 2D 甚至 3D 定位——這稱為三角測量。

采用這種方法的有點是不需要系統(tǒng)同步，能夠輕松部署，且雙向通信使得下行數(shù)據(jù)和控制成為可能。但和另兩種方法一樣，TWR 也有缺點，其中一個就是功耗更高。統(tǒng)計顯示，根據(jù)應(yīng)用的不同，TWR 方法的設(shè)備電池壽命僅為數(shù)月至一年。此外，移動設(shè)備數(shù)量有限（數(shù)百個）也是其中一個缺點。

最后，PDoA 的方法將兩個設(shè)備之間距離的 TWR 方案與兩個設(shè)備之間方位測量的方案結(jié)合。這樣的組合允許在沒有任何其他基礎(chǔ)設(shè)施的情況下計算兩個設(shè)備的相對位置。為此，其中一個設(shè)備帶有兩個天線，能夠測量射頻信號的到達(dá)相位差。

這樣的方案的好處是減少基礎(chǔ)設(shè)備位置方案和兩個設(shè)備之間的相對定位。但卻帶來了位置誤差不是長壽湖，而是兩個設(shè)備之間距離的函數(shù)。

為什么說 UWB 是首選的定位技術(shù)

與藍(lán)牙或 WiFi 等其他技術(shù)為新目的而重新設(shè)計不同，UWB 射頻信號的物理特性從一開始就被明確定義——以實現(xiàn)實時、超準(zhǔn)確、超可靠的定位和通信。

在 Decawave（已經(jīng)被 Qorvo 收購），我們還希望 UWB 技術(shù)變得無處不在，我們在 UWB 芯片的定義中增加了低功耗和低成本。Decawave 的聯(lián)合創(chuàng)始人 Michael McLaughlin更是創(chuàng)建 IEEE 802.15.4a 標(biāo)準(zhǔn)的工程師團(tuán)隊的一員。這個團(tuán)隊的愿景就是讓每個連接的對象“位置感知”，因為他們相信“回答位置”將為物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 等應(yīng)用程序的成功帶來巨大價值。

為了更好地推動 UWB 的應(yīng)用，包括 Decawave、 Hyundai、Kia、Zebra、Alteros、Novelda 和 Ubisense 在內(nèi)的多家企業(yè)發(fā)起了一個全球性的非營利組織 UWB Alliance ，該聯(lián)盟成立的目的是致力于共同將 UWB 技術(shù)建立為開放標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)。

助于促進(jìn)大規(guī)模的 UWB 部署并保護(hù)全球數(shù)百萬已安裝的設(shè)備免受無線電技術(shù)的侵害。該聯(lián)盟將通過端到端、與供應(yīng)商無關(guān)的互操作性計劃推動增長，這些計劃將為包括導(dǎo)航、跟蹤、安全、成像、傳感和通信在內(nèi)的多個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和工業(yè) 4.0 應(yīng)用提供準(zhǔn)確的定位。

Qorvo 實現(xiàn)與 Apple*U1 芯片的互操作

在今年六月，Qorvo 宣布，公司旗下 DW3000 系列產(chǎn)品支持與 iPhone 和 Apple Watch 型號*中使用的 Apple U1 芯片的互操作，符合 2021 年全球開發(fā)人員大會上公布的新的 Nearby Interaction 協(xié)議規(guī)范草案要求。

利用這種兼容性，開發(fā)人員能夠根據(jù)配備 U1 芯片的 iPhone 或 Apple Watch 的位置、距離和方向來輕松評估新的應(yīng)用體驗。DW3000 是 Qorvo 的下一代超寬帶（UWB）芯片組系列，將推出四個型號以及多款模塊和 beta 開發(fā)套件，并全面投入量產(chǎn)。

Qorvo UWB 硬件和軟件解決方案遵循 FiRa 聯(lián)盟 PHY 和 MAC 規(guī)范開發(fā)，符合 IEEE 802.15.4z 標(biāo)準(zhǔn)。作為 FiRa 的贊助商和董事會成員，Qorvo 致力于發(fā)展 UWB 生態(tài)系統(tǒng)，并運用其技術(shù)和應(yīng)用專業(yè)知識來幫助定義規(guī)范，以確保不同的終端產(chǎn)品之間的互操作性，為消費者帶來新的無縫體驗。

全球科技市場咨詢公司 ABI Research 預(yù)測，2021 年 UWB 設(shè)備的出貨量將達(dá)到 3 億臺。ABI Research 的研究分析師 Stephanie Tomsett 表示：“智能手機將進(jìn)一步提高 UWB 集成度，讓用戶能夠準(zhǔn)確定位其他支持 UWB 的設(shè)備、開門或解鎖車輛，以及實現(xiàn)購物自動無線付款。”

Qorvo 移動產(chǎn)品事業(yè)部總裁 Eric Creviston 表示：“我們非常高興 Qorvo 的眾多 UWB 解決方案組合能夠支持與 Apple 的互操作。我們注意到，UWB 技術(shù)在許多移動、汽車和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中迅速普及，以提供出色的定位和安全通信功能。這為提供全新用戶體驗提供了契機。過去 10 年，Qorvo 的 UWB 團(tuán)隊一直走在該領(lǐng)域創(chuàng)新的前沿，為眾多用戶提供支持，幫助他們在 40 個不同的垂直市場中設(shè)計突破性的產(chǎn)品和解決方案。”

Qorvo UWB 產(chǎn)品兼容采用 U1 的 iPhone 和 Apple Watch 型號/詩與盛夏

Qorvo UWB 開發(fā)套件

DWM3000EVB

這款 Arduino Shield 開發(fā)套件基于 Qorvo DWM3000 模塊。

支持開發(fā)人員靈活利用 Nordic Semiconductor 開發(fā)套件（nRF52832DK、nRF52833DK 或 nRF52840DK）來評估 Qorvo UWB 技術(shù)。

DWM3001CDK

這款套件基于 DWM3001C 模塊，旨在為開發(fā)人員提供快速的原型制作解決方案，通過 USB 和免許可專業(yè)級 IDE 來提供 JLINK-OB 調(diào)試功能。

Qorvo UWB 軟件套件

兼容所有的 Qorvo UWB 產(chǎn)品，從驅(qū)動器到 MAC、GUI 以及日志工具。嵌入式軟件符合 Apple Nearby Interaction 協(xié)議和 FiRa PHY/MAC 規(guī)范。

Qorvo UWB 模塊

DWM3000

純 RF 模塊，集成 DW3110 芯片組、天線和電源管理。優(yōu)化的 RF 布局簡化了設(shè)計集成。DWM3000 可通過 SPI 與各種微控制器輕松連接。

DWM3001C

將 Qorvo DW3110 UWB 芯片組、Nordic nRF52833 BLE SoC 和一個加速計組合在一起，即可得到快速構(gòu)建標(biāo)簽和門禁等應(yīng)用原型的出色平臺。

Qorvo UWB 芯片組

DW3000

第二代四款 UWB 芯片組（DW3110、DW3120、DW3210、DW3220）針對低功耗電池供電應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。在全球范圍內(nèi)提供 UWB 信道 5（6.5 GHz）和信道 9（8 GHz）支持，數(shù)據(jù)速率高達(dá) 6.8 Mbps，同時提供精準(zhǔn)定位，精度在 10 cm 內(nèi)，角度測量精度為 +/-5°。芯片組采用 QFN 和 CSP 封裝。

Qorvo 的評估套件和模塊現(xiàn)在可提供樣品，所有 UWB 芯片組將進(jìn)入全面量產(chǎn)。有關(guān) Qorvo 的 UWB 產(chǎn)品和解決方案的更多信息，請訪問 https://www.qorvo.com/feature/uwb-solutions-compatible-with-apple-u1。

*支持 U1 的 iPhone 型號包括：iPhone 11、iPhone 11 Pro、iPhone 11 Pro Max、iPhone 12、iPhone 12 mini、iPhone 12 Pro 和 iPhone 12 Pro Max。Apple Watch Series 6 采用 U1 芯片。

編輯：jq