汽車電子數(shù)字鑰匙設(shè)備的超帶寬（UWB）技術(shù)

在汽車智能化程度越來越高的今天，汽車防盜系統(tǒng)也在不斷發(fā)生改變。就像車鑰匙，近幾年出現(xiàn)了很多不同于經(jīng)典鑰匙的存在形式，支持手機實現(xiàn)鑰匙功能的車型也越來越多。本文將會帶你來展望未來車鑰匙及防盜系統(tǒng)的改變。

隨著汽車電子近年來的發(fā)展，我們總能在車上見到很多實用抑或炫酷的功能。而在這其中，一把炫酷的車鑰匙肯定是那個能第一時間吸引人們眼球的配件。通過這些年的發(fā)展，多種形態(tài)和多種功能的車鑰匙不斷出現(xiàn)，我們可以看到像手環(huán)鑰匙和帶屏鑰匙等不同類型的鑰匙越來越多。當然這些車鑰匙也不僅僅只是車鑰匙，還附加了很多以前車鑰匙不具備的功能，例如自動尋車、遠程控制、遙控泊車等，智能鑰匙的概念也就這樣應(yīng)運而生。

隨著前幾年在寶馬液晶鑰匙和捷豹手環(huán)鑰匙問世，國內(nèi)自主品牌像吉利和奇瑞等車廠跟隨潮流推出了類似的產(chǎn)品。在這種趨勢下，在汽車鑰匙上擴充的功能也越來越多，例如要在炎熱的夏日里，在車外用鑰匙就把車窗降下并車內(nèi)的空調(diào)打開通風降溫；在寒冷的冬季，可以提前啟動發(fā)動機對車進行預(yù)熱；在停車狀態(tài)下如果胎壓不足馬上給出警示；車輛長時間停放電瓶低了及時發(fā)出提醒等。這樣以來車鑰匙就變的越來越復(fù)雜，當然成本就會越來越高。

在這么多需求逐漸增多的情況下，單單一把鑰匙是很難承載的。于是我們發(fā)現(xiàn)在近些年車聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，手機更多的實現(xiàn)了與汽車的互聯(lián)，逐漸都實現(xiàn)了前面提到的這些功能，有一些車廠已經(jīng)開放了手機解鎖甚至啟動發(fā)動機功能。這樣來看手機替代鑰匙已經(jīng)是理所當然了，但實際上手機確實逐漸實現(xiàn)更多與汽車交互的功能，但傳統(tǒng)的鑰匙目前還沒有見要被替代的情況，這是怎么回事呢？

總體來說，主要是功能和安全性兩方面的原因。對于傳統(tǒng)鑰匙而言，在成熟的低頻和射頻無線通信技術(shù)非常成熟的今天，無鑰匙進入以及一鍵啟動（PEPS）的功能已經(jīng)逐漸普及在乘用車上。這極大的提高了駕駛者的實際體驗。而手機目前還只能實現(xiàn)遙控鑰匙（RKE）的功能，自然體驗有差距。另外一方面如果現(xiàn)在使用手機完全替代鑰匙，安全性還是不能得到十足保障的，手機依然會有被病毒或者網(wǎng)絡(luò)攻擊的風險。而鑰匙由于未連接互聯(lián)網(wǎng)，同時具備特有的加密方式，使得安全性得以保障。

然而有些小伙伴們會追問，那么 10 年后車鑰匙又會是怎樣？既然手機都逐漸實現(xiàn)了鑰匙的功能，車鑰匙還會存在么？

其實這個問題不只是各個汽車廠商在考慮，半導(dǎo)體廠商也已經(jīng)在布局了。前面提到，目前成熟的汽車防盜系統(tǒng)主要采用 RF(434MHz)和 LF(125KHz)無線通信技術(shù)，RF 主要用于遠距離鑰匙與車輛通信，LF 用于近距離車輛與鑰匙通信并判斷鑰匙距離及方位。而目前手機控車主要是用低功耗藍牙(BLE)或者 4G 與車輛連接，目前不便實現(xiàn)判斷手機所在方位和距離的功能。但在不久的將來，這一切將會改變。

NXP（恩智浦）作為在汽車防盜方面獨占鰲頭的半導(dǎo)體廠商，已經(jīng)給我們勾勒出了未來汽車防盜的演變過程。就像圖 2 中所呈現(xiàn)的那樣，汽車防盜的發(fā)展一共會呈現(xiàn)三個階段，即只有單純車鑰匙階段、車鑰匙與手機（包含移動設(shè)備）并存階段、車鑰匙與移動設(shè)備包括手機融合（數(shù)字鑰匙）階段。

目前我們基本上處于第一和第二個階段之間。近兩年雖然很多上市汽車的已經(jīng)可以利用 BLE 和 4G（5G）與鑰匙互聯(lián)，但目前新發(fā)布的汽車還有很多并不支持 NFC。這樣如果手機沒電了，就沒有可供備用的開門以及啟動汽車的方式了，但傳統(tǒng)車鑰匙還有機械鑰匙和 IMMO 可以在無電時使用。由此來看手機和測量 NFC 功能普及后，整個應(yīng)用場景才能更充分。

要解決前面提到的手機及移動設(shè)備的安全，必然要針對現(xiàn)有的 BLE、NFC、4G（5G）在汽車防盜應(yīng)用上統(tǒng)一相關(guān)的標準。當然這就不僅僅涉及汽車廠與半導(dǎo)體廠，還有手機等智能移動終端公司和企業(yè)。于是在這樣的大潮下，全球車聯(lián)聯(lián)盟 Car Connectivity Consortium（簡稱 CCC）便作為帶頭大哥出現(xiàn)了。CCC 組織在 2018 年下半年發(fā)布了汽車數(shù)字汽車防盜鑰匙 NFC 標準第 1 版，2019 年秋天發(fā)布了數(shù)字汽車鑰匙標準第 2 版，據(jù)了解后面還會發(fā)布包含 BLE 和 UWB 標準的第 3 版。

從 NXP 和 CCC 了解的情況來看，對于未來數(shù)字鑰匙的描繪是鑰匙的實體將會逐漸消失，而手機、可穿戴設(shè)備、智能卡等將成為實現(xiàn)鑰匙功能的載體。于此同時，在得到車主授權(quán)的情況下，數(shù)字鑰匙可以被授權(quán)給多個智能設(shè)備亦或是他人的設(shè)備進行使用，當然可被授權(quán)的設(shè)備需要滿足對應(yīng)功能且可以遵循相關(guān)標準規(guī)范才可以。

未來支持數(shù)字鑰匙的設(shè)備需要都需要具備什么功能呢？

首先就是上面提到的 NFC，當然要想實現(xiàn)類似經(jīng)典 PKE 功能的話，還需要低功耗藍牙（BLE）和超寬帶（UWB）技術(shù)。

這里我們簡單介紹下超帶寬（UWB）技術(shù)。

UWB 為一種無線載波通信技術(shù)，通信頻段在 3.1 至 10.6GHz 之間。它不采用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。因此其信道所占的頻譜范圍很寬，一般為 500MHz 及以上，由此數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到幾百兆比特每秒。

納秒級的沖激脈沖具有很高的定位精度。采用 UWB 技術(shù)，可以將定位與通信合一。UWB 技術(shù)具有極強的穿透能力，可在室內(nèi)和地下進行精確定位，而 GPS（https://baike.baidu.com/item/%E5%85%A8%E7%90%83%E5%AE%9A%E4%BD%8D%E7%B3%BB%E7%BB%9F/1240960" /t "_blank 全球定位系統(tǒng)）只能工作在其定位衛(wèi)星的可視范圍之內(nèi)。與 GPS 提供絕對地理位置不同，超寬帶無線電定位器是給出相對位置，其定位精度可達 10cm 以內(nèi)。

當然以上技術(shù)在汽車上也要具備。也就是說在后面的幾年里，車身的防盜系統(tǒng)組成也將逐漸改變，總體的組成框圖大致如下：

我們可以看到除了 BCM 以外，這個系統(tǒng)由 NFC+BLE+UWB 組成。其相對于目前經(jīng)典汽車防盜系統(tǒng)來看是全新的，已經(jīng)沒有了 RF(434MHz)和 LF(125KHz)。從這個系統(tǒng)的組成可以預(yù)測，BLE 后面將會替代 RF 實現(xiàn)遠距離遙控功能；UWB 將會替代 LF 用作近距離通信以及測距定位；NFC 將會替代 IMMO 用于近距離（10cm）解鎖和開啟發(fā)動機（可無電使用）。

作為汽車半導(dǎo)體的領(lǐng)頭羊，NXP 已經(jīng)給出了整體系統(tǒng)級解決方案，由 S32K14x（BCM）+KW35/6（BLE）+NCJ29D5（UWB）+NCF33x0（NFC）組成。S32K 系列汽車級 MCU 已然是業(yè)界的當紅小生，之前已經(jīng)詳細介紹過，這里就不再贅述。我們重點介紹下 KW35/6、NCF33x0 和 NCJ29D5。

BLE 芯片 KW35/6 的特點如下：

• 汽車級 BLE 5.0 芯片，最高工作溫度 105℃；
• Cortex M0+內(nèi)核，主頻最高可達 48MHz；512KB Flash，64KB RAM；

最多可支持 8 個 BLE 組網(wǎng)；

• 最大 3.5dBm 發(fā)射強度；接收靈敏度可達 -95dBm；
• KW36 帶有 CAN（CAN FD）和 LIN 接口；
• 兩種封裝可選：6×6mm QFN40；7×7mm QFN48；
• NFC 讀寫卡芯片 NCF3320、NCF3340 的特點如下：
• 汽車級非接觸式通信的獨立 NFC 前端芯片，最高工作溫度 105℃；

支持的協(xié)議有：

• ISO/IEC 14443 A&B R/W support
• FeliCa R/W support
• R/W support for MIFARE 1K, 4K
• R/W support for ISO15693 / 18000-3
• 支持 3V 至 5.5V 電源供電 ，RF 驅(qū)動電流最大 350mA;
• 具備增強的低功耗尋卡模式；
• 具有專用的中斷 IRQ 輸出引腳；
• 提供通用的和免費軟件庫便于平臺開發(fā)(NCF3340 內(nèi)集成庫)；
• NCF3340 為 HVQFN40 封裝；NCF3320 為 HVQFN32；

UWB 芯片 NCJ29D5 的特點如下：

• 汽車級 UWB 專用收發(fā)芯片，最高工作溫度 105℃；
• 滿足 IEEE Std 802.15.4?標準；支持頻段 6.0 GHz to 8.5 GHz；
• 支持數(shù)據(jù)通信速率 110kbps，850kbps，6.8Mbps，7.8Mbps；
• Cortex M33 內(nèi)核，256KB Flash，32KB RAM；
• 支持 1.8V 至 3.6V 電源供電；最大峰值脈沖發(fā)射強度 12dBm；
• 支持 AES128/256、SHA2-256 加密算法；
• 6mm x 6 mm QFN40 封裝；

很多小伙伴應(yīng)該知道華為高端手機 Mate 和 P 系列已經(jīng)可以利用 NFC 來作為奧迪及寶馬部分車型的鑰匙。而去年 iPhone11 發(fā)布時雖然沒有黑科技滿滿，但是增加的 UWB 功能依然吸睛無數(shù)。其實更多的汽車和手機廠商已經(jīng)投入到這場大潮里。除了我們現(xiàn)在想到的，數(shù)年后的“數(shù)字鑰匙”也一定會實現(xiàn)許多更強大、更新奇的功能。也許要不了 10 年，我們真的就見不到“車鑰匙了”。

編輯：hfy