頻率控制如何確保 UWB 應(yīng)用可靠、安全

作者：Aker Technology

2024-07-17

超寬帶 (UWB) 是在第二次世界大戰(zhàn)期間為安全通信和雷達(dá)系統(tǒng)開發(fā)的，后來被禁止用于商業(yè)用途，幾十年來一直未得到充分利用。2002 年發(fā)布的美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)允許廣泛地使用 UWB。此后，該技術(shù)在工業(yè)、消費(fèi)、通信和汽車等越來越多的商業(yè)應(yīng)用中獲得了顯著的發(fā)展。這些應(yīng)用都利用了該技術(shù)的精確定位和位置跟蹤能力，以及這種無線協(xié)議所帶來的高速數(shù)據(jù)傳輸和最小功耗。

與藍(lán)牙和 Wi-Fi 等其他短程無線通信協(xié)議一樣，可通過 UWB 創(chuàng)建個(gè)人局域網(wǎng) (PAN)，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備互連并促進(jìn)個(gè)人周圍的數(shù)據(jù)傳輸。PAN 不通過 LAN 或 WAN 發(fā)送數(shù)據(jù)，而是在個(gè)人附近的設(shè)備之間傳輸信息。

然而，UWB 在幾個(gè)關(guān)鍵方面與其他傳輸技術(shù)不同，這也推動(dòng)了 UWB 在越來越多的主流無線應(yīng)用中得到使用。

圖 1：UWB 的安全、寬頻率范圍和精確檢測(cè)功能使許多主流無線應(yīng)用成為可能。（圖片來源：[Aker Technology]）

UWB 的工作頻率非常高，且不會(huì)干擾其他無線協(xié)議。該技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)空間音頻、智能家居集成和非接觸支付系統(tǒng)等特性，在汽車、移動(dòng)和消費(fèi)設(shè)備（如智能手機(jī)和標(biāo)簽設(shè)備）中尤其有用。這項(xiàng)技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)安全免提訪問、室內(nèi)導(dǎo)航、非接觸支付、憑證共享和物品追蹤等高級(jí)功能。

UWB 帶來的優(yōu)勢(shì)

雖然藍(lán)牙和 Wi-Fi 都已在無線通信領(lǐng)域占有一席之地，但由于 UWB 速度更快、更安全且精度極高，將在 10 - 20 m 范圍的應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。這主要得益于飛行時(shí)間 (ToF) 測(cè)量。

| | | WI-FI | 藍(lán)牙 | UWB |
| -------------------- | ----------- | ------------- | -------------------- |
| 頻譜帶 | 2.4/5 GHz | 2.4/5 GHz | 3.1 GHz ~ 10.6 GHz |
| 標(biāo)稱范圍 | 250 m | 100 m | 10 m ~ 20 m |
| 精確度 | 2 m ~ 3 m | 1 米 ~ 5 米 | 10 cm ~ 30 cm |
| 數(shù)據(jù)速率 | 600 Mbps | 24 Mbps | 460 Mbps |
| 安全 | 中級(jí) | 中級(jí) | 高級(jí) |

表 1：UWB 具有 3.1 ~ 10.6 GHz 頻段，使得只有 2.4 ~ 5 GHz 頻段的 Wi-Fi 和藍(lán)牙的 相形見絀。由于工作頻率范圍更高，帶寬更大，UWB 可以更安全地傳輸更多數(shù)據(jù)，是高速、短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐脒x擇。（圖片來源：Aker Technology）

通過精確測(cè)量信號(hào)在設(shè)備間傳輸所需的時(shí)間，UWB 的 ToF 功能使外部攻擊者更難訪問或操縱 UWB 通信，這得益于其加密特性、隨機(jī)數(shù)生成和其他安全技術(shù)。

除了安全性高之外，UWB 技術(shù)還具有功耗低、抗噪能力強(qiáng)、精確定位和位置跟蹤以及信號(hào)易于穿透各種材料等優(yōu)點(diǎn)。UWB 可以傳輸大量信號(hào)能量，而不會(huì)干擾同一頻段內(nèi)的傳統(tǒng)窄帶和載波傳輸。

無線速度（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、精確定時(shí)）： 雖然 Wi-Fi 的數(shù)據(jù)傳輸速率比 UWB 稍高，分別為 600 Mbps 和 460 Mbps，但 UWB 類似雷達(dá)的探測(cè)能力使其成為無線應(yīng)用的有效選擇。（藍(lán)牙的數(shù)據(jù)傳輸速率為 24 Mbps，僅供參考）。此外，UWB 的標(biāo)稱距離小于藍(lán)牙或 Wi-Fi，最適合需要精確定時(shí)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩叹嚯x應(yīng)用。

準(zhǔn)確性（定位、位置跟蹤）： UWB 在短距離內(nèi)的準(zhǔn)確性是其他無線技術(shù)無法比擬的，可確保更精確的設(shè)備定位。由于不受其他無線電傳輸和無線電猝發(fā)技術(shù)的干擾，UWB 可以有效地測(cè)量距離，精確度可達(dá) 10 cm 至 30 cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于 Wi-Fi（2 m 至 3 m）和藍(lán)牙（1 m 至 5 m）的測(cè)量范圍。

安全性（數(shù)據(jù)完整性、安全傳輸）： UWB 的脈沖傳輸技術(shù)具有抗噪聲和抗反射的特性，因此在各種應(yīng)用中都具有很高的安全性。兩個(gè)設(shè)備之間可直接連接以及精確測(cè)量特性，使 UWB 能夠?qū)崟r(shí)連接并驗(yàn)證設(shè)備的合法性，而不會(huì)出現(xiàn)無線電波被記錄或轉(zhuǎn)發(fā)。

功率效率（低漏電、最佳消耗）： UWB 傳輸速度快，定時(shí)幀定義明確，因此比大多數(shù)短程協(xié)議更節(jié)能。該技術(shù)支持多種低功耗模式，包括休眠模式，可進(jìn)一步優(yōu)化功耗。對(duì)于小型電池供電設(shè)備（如 UWB 環(huán)境中的設(shè)備）來說，功耗是關(guān)鍵因素。

晶體振蕩器可實(shí)現(xiàn) UWB 應(yīng)用

UWB 滿足了短距離無線應(yīng)用在寬頻率范圍內(nèi)的許多要求，但這也提出了對(duì)精確頻率控制的需求，以確保精確的定位、位置跟蹤和高速數(shù)據(jù)傳輸，這正是 UWB 的優(yōu)勢(shì)所在。

| | 應(yīng)用 | 描述 | AKER 產(chǎn)品 |
| -------------------- | ------------------------------------- | -------------------------- |
| 錨點(diǎn) | UWB 汽車級(jí)收發(fā)器 XTAL 2016 55.2 MHz | C1E-55.200-8-1035-A-X2-R |
| 錨點(diǎn) | UWB 收發(fā)器 XTAL 2016 55.2 MHz | C1E-55.200-8-1035-X-R |
| 錨點(diǎn) | MCU 汽車級(jí) XTAL 2016 40 MHz | C1E-40.000-8-1030-A-X2-R |
| 標(biāo)簽 | UWB 收發(fā)器 XTAL 2016 55.2 MHz | C1E-55.200-8-1020-R |
| 標(biāo)簽 | BLE XTAL 2016 16 MHz | C1E-16.000-10-1520-X-R |
| 汽車鑰匙 | UWB 汽車級(jí)收發(fā)器 XTAL 2016 38.4 MHz | C1E-38.400-10-1010-A-X-R |
| 汽車鑰匙 | BLE 汽車級(jí) XTAL 2016 32 MHz | C1E-32.000-10-1010-A-X-R |

表 2：滿足 UWB 頻率控制需求的典型高性能晶體。石英晶體是一種常用的頻率控制器件，用于確保以正確的時(shí)間、速度傳輸信息時(shí)所需的信號(hào)和定時(shí)控制。晶體的穩(wěn)定性、相位噪聲特性和功率效率會(huì)影響 UWB 通信和定位系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性。（圖片來源：Aker Technology）

穩(wěn)定的振蕩器可提供可靠、準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)，確保 UWB 脈沖保持所需的形狀和頻譜。換句話說，UWB 發(fā)射器產(chǎn)生的脈沖形狀會(huì)受到振蕩器提供的定時(shí)影響。

振蕩器的頻率漂移或不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真和性能低下，因此選擇具有正確頻率范圍、容差和穩(wěn)定性的晶體至關(guān)重要。其他關(guān)鍵參數(shù)包括封裝類型、工作溫度和負(fù)載電容。

主要 UWB 市場(chǎng)

UWB 首次出現(xiàn)在 iPhone 11 中，并迅速在大量基于 PAN 的應(yīng)用中得以普及，其中包括了智能標(biāo)簽和車載參考點(diǎn)或錨點(diǎn)。UWB 技術(shù)有助于推動(dòng)智能無線技術(shù)創(chuàng)新，更好地實(shí)現(xiàn)全球自動(dòng)化。以下是 UWB 正在為各種短距離無線市場(chǎng)帶來變革的其他幾種方式（圖 2）：

工業(yè) - UWB 用于資產(chǎn)跟蹤、室內(nèi)定位、監(jiān)控系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能電網(wǎng)應(yīng)用。該技術(shù)可為人員和設(shè)備提供準(zhǔn)確的定位信息。

消費(fèi)通信 - 該技術(shù)用于智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、智能家居系統(tǒng)和智能標(biāo)簽，在短距離設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)快速可靠的無線連接。UWB 可提供更準(zhǔn)確的空間跟蹤，如精確的室內(nèi)定位。

汽車 - 在汽車行業(yè)中，無鑰匙進(jìn)入、安全車輛訪問、高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 和跟蹤都通過 UWB 實(shí)現(xiàn)精確定位。

頻率控制助力無線創(chuàng)新

隨著無線連接需求的日益擴(kuò)大，特別是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的激增和 5G 網(wǎng)絡(luò)的部署，正在將跨頻段數(shù)據(jù)傳輸推向新的極限。不斷發(fā)展的無線基礎(chǔ)設(shè)施依賴 UWB 所提供的關(guān)鍵性能參數(shù)。

UWB 的工作頻率范圍廣，可傳輸大量信號(hào)能量，而不會(huì)干擾同一頻段的傳統(tǒng)窄帶和載波傳輸。如此寬的帶寬分配需要準(zhǔn)確的頻率控制，以避免干擾在同一頻段內(nèi)工作的其他無線系統(tǒng)，并同步數(shù)據(jù)傳輸，保持可靠的通信。

結(jié)束語(yǔ)

UWB 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了安全測(cè)距和精確檢測(cè)，為無線設(shè)備創(chuàng)造了新的空間環(huán)境。UWB 可以傳輸大量信號(hào)能量，而不會(huì)干擾同一頻段的傳統(tǒng)窄帶和載波傳輸。在物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、實(shí)時(shí)定位、智能汽車門禁、家庭控制面板、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、自動(dòng)解鎖和門禁管理等領(lǐng)域，UWB 是未來的發(fā)展趨勢(shì)；Aker 將通過其種類繁多的定時(shí)[晶體]參與其中。

審核編輯 黃宇