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在越來越多的無線通信選項(xiàng)（如 Wi-Fi、藍(lán)牙和 NFC）中，越來越多的應(yīng)用正在使用超寬帶 (UWB) 技術(shù)的安全和精確范圍功能來發(fā)揮它們的魔力。這種魔力使許多應(yīng)用成為可能。免提門禁解決方案利用 UWB 的能力來跟蹤接近的人，該技術(shù)同時(shí)可用于自動(dòng)解鎖汽車或建筑物的門。資產(chǎn)跟蹤和基于位置的服務(wù)也可以利用 UWB 的能力，特別是在難以獲取或維持穩(wěn)定 GPS 信號(hào)的室內(nèi)位置。用例包括以厘米級(jí)精度定位倉庫、醫(yī)院或工廠中的資產(chǎn)，以及幫助人們?cè)跈C(jī)場(chǎng)和購物中心等大型空間中導(dǎo)航。
市場(chǎng)研究公司 Data Bridge 認(rèn)識(shí)到該技術(shù)的增長(zhǎng)潛力，并預(yù)計(jì) UWB 的全球市場(chǎng)價(jià)值將從 2021 年的 11.6 億美元增加到 2029 年的 18.4 億美元。ABI Research 證實(shí)了這一趨勢(shì)，該公司認(rèn)為 UWB 技術(shù)在智能手機(jī)等應(yīng)用中的年度設(shè)備出貨量、車輛和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備到 2026 年將達(dá)到 15 億，高于 2022 年的 5 億。這一發(fā)展與新 UWB 應(yīng)用的激增齊頭并進(jìn)，這些應(yīng)用將傳感需求與低能耗、高抗干擾能力和高比特率。
IEEE 802.15.4Z和強(qiáng)大的行業(yè)支持推動(dòng)UWB成為主流
今天的脈沖無線電 (IR) UWB 系統(tǒng)在測(cè)距精度方面大大優(yōu)于窄帶無線電。作為 2020 年 8 月采用 IEEE 802.15.4z 修正案的一部分，UWB 物理層的增強(qiáng)功能有助于實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的安全測(cè)距功能。精細(xì)測(cè)距 (FiRa：fine-ranging) 和汽車連接 (CCC：car connectivity consortiums) 聯(lián)盟等工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)在汽車、智能工業(yè)、智能家居和智能建筑市場(chǎng)中標(biāo)準(zhǔn)化了支持 UWB 的用例。
雖然 UWB 系統(tǒng)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)并且其采用率正在增長(zhǎng)，但這些系統(tǒng)確實(shí)存在挑戰(zhàn)。UWB 使用更昂貴的電路，系統(tǒng)也更復(fù)雜。系統(tǒng)的寬帶性能還導(dǎo)致比藍(lán)牙等窄帶技術(shù)更高的功耗。這些挑戰(zhàn)危及電池供電 UWB 應(yīng)用的長(zhǎng)期運(yùn)行，并阻礙了該技術(shù)的更廣泛采用。
一項(xiàng)突破：低于 5 毫瓦的 IEEE 802.15.4Z 超寬帶發(fā)射器芯片
為了應(yīng)對(duì)功耗挑戰(zhàn)，imec 在 2021 ISSCC 會(huì)議上推出了一款低于 5 mW、IEEE 802.15.4z 寬帶發(fā)射器芯片。該發(fā)射器芯片的功率預(yù)算比當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的 UWB 低 10 倍。該芯片采用 28 nm CMOS 工藝制造，占用的核心面積僅為 0.15 mm2，旨在支持具有成本效益的小型 UWB 部署。它在符合標(biāo)準(zhǔn)的操作中具有 4.9 mW 的功耗，同時(shí)遵守 UWB 嚴(yán)格的光譜發(fā)射規(guī)定。
該芯片利用圖 1中所示的數(shù)字極性發(fā)射器架構(gòu)來顯著降低 IC 的功耗。這種架構(gòu)不同于傳統(tǒng)的 IR-UWB 發(fā)射器，后者通常使用 IQ 混頻器將基帶脈沖整形濾波器的輸出上變頻至射頻頻率，然后在傳輸前由線性功率放大器 (PA) 放大。這種傳統(tǒng)方法會(huì)導(dǎo)致更高的功耗，這會(huì)限制電池壽命，從而限制 IR-UWB 應(yīng)用。
圖1. 兼容 IR-UWB IEEE 802.15.4z 的相干異步極性發(fā)射器。
極化發(fā)射機(jī)（polar transmitter）可以采用效率更高的非線性 PA。然而，笛卡爾坐標(biāo)到極坐標(biāo)的變換導(dǎo)致帶寬擴(kuò)展，這可能導(dǎo)致數(shù)字 PA (DPA) 時(shí)鐘速率可能比芯片速率高 4 到 10 倍。這導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的高功耗。
在對(duì)IEEE 固態(tài)電路雜志的貢獻(xiàn)中，imec 提出了一種采用脈沖整形器的異步極性發(fā)射器，該脈沖整形器由有限脈沖響應(yīng) (FIR) 濾波器組成，該濾波器采用基于電流匱乏的逆變器的延遲抽頭，從而產(chǎn)生良好的功率/性能權(quán)衡。此外，注入鎖定環(huán)形振蕩器 (ILRO) 技術(shù)通過在數(shù)據(jù)包內(nèi)的 IR-UWB 發(fā)射器信號(hào)突發(fā)之間實(shí)現(xiàn)快速工作循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了更大的節(jié)能效果。這允許發(fā)射器的部分在脈沖之間關(guān)閉。建議的發(fā)射器與 IEEE 802.15.4z 標(biāo)準(zhǔn)兼容，支持相干操作，同時(shí)降低功耗標(biāo)準(zhǔn)。IR-UWB 發(fā)射器芯片還符合嚴(yán)格的頻譜規(guī)定，這些規(guī)定規(guī)定了 UWB 發(fā)射器可以發(fā)射的頻率，以避免干擾其他無線服務(wù)。該芯片的異步脈沖整形設(shè)計(jì)符合全球范圍內(nèi)的頻譜發(fā)射法規(guī)，同時(shí)允許發(fā)射器在接近最大功率頻譜密度 (PSD) 的條件下運(yùn)行。
支持下一代 UWB 應(yīng)用的 IR-UWB 802.15.4Z 收發(fā)器
支持 UWB 的日益普及需要的不僅僅是低功率發(fā)射器。業(yè)界需要優(yōu)化的 UWB 收發(fā)器，其中包括高性能測(cè)距、測(cè)向和定位算法。imec 的研究人員在 ESSCIRC 2022 的一篇論文中解決了這些問題。在這篇論文中，研究人員展示了一種超低功耗的 IR-UWB 802.15.4z 收發(fā)器，它在經(jīng)濟(jì)高效的硅布局、低能耗和精確定位之間取得了平衡測(cè)量。
imec所提出的設(shè)計(jì)在 28 nm CMOS 中實(shí)現(xiàn)，占用面積為 1.06 mm 2。該芯片的功耗降低源于高度優(yōu)化、低功耗和抗干擾的接收器 (Rx) 架構(gòu)以及創(chuàng)新的數(shù)字極化發(fā)射器架構(gòu)。分布式兩級(jí)數(shù)字 PLL 可進(jìn)一步降低芯片的功耗，并有助于縮短定位測(cè)量時(shí)間。
圖2.3 至 10 GHz IR-UWB 802.15.4a/z 1T3R 收發(fā)器。
收發(fā)器的系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。它包含一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器、一個(gè)高能效極性發(fā)射器 (Tx) 和三個(gè)帶有獨(dú)立 PLL 的 Rx。Rx 由兩級(jí)低噪聲跨導(dǎo)放大器、無源混頻器、TIA（跨阻放大器）、低通濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 組成。Rx 中的所有放大器均由基于單元逆變器的 gm 單元組成，該單元由自偏置電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。該 ADC 是一個(gè) 2 GSps 6 位 2x 時(shí)間交錯(cuò) (TI：time-interleaved) ADC，它是 TI （time-interleaved）復(fù)雜性和切片采樣率之間的折衷。該收發(fā)器在 Tx 模式下每通道功耗 8.9 mW，在 Rx 模式下每通道功耗 21.5 mW，同時(shí)實(shí)現(xiàn)- 33 dBm 帶外 (OOB) 阻塞容限（ blocker tolerance）。
UWB 的下一件大事？
在超寬帶技術(shù)不斷完善的同時(shí)，業(yè)界正在探索幾種新 UWB 應(yīng)用的可行性，超越 FiRa 和 CCC 聯(lián)盟所追求的典型安全和精細(xì)范圍應(yīng)用。該技術(shù)的大帶寬使得構(gòu)建 UWB 雷達(dá)系統(tǒng)成為可能，該系統(tǒng)可以比窄帶技術(shù)以更高的分辨率和細(xì)節(jié)提取信息。憑借短射頻脈沖特性，該技術(shù)可用于存在檢測(cè)系統(tǒng)，它可以檢測(cè)呼吸模式或人的心跳。人們一直在努力創(chuàng)建具有成本效益的 UWB 片上雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高能效和指甲蓋大小。
該技術(shù)可能成為汽車應(yīng)用的推動(dòng)者。高端車輛已經(jīng)包含用于安全無鑰匙進(jìn)入的 UWB 錨點(diǎn)。汽車制造商沒有添加額外的毫米波雷達(dá)傳感器，而是探索利用已安裝的 UWB 傳感器進(jìn)行被動(dòng)存在檢測(cè)應(yīng)用的可能性。其中一些應(yīng)用包括檢測(cè)兒童或?qū)櫸锸欠駸o人看管在車內(nèi)或監(jiān)測(cè)駕駛員的身體參數(shù)。除了節(jié)省組件和安裝成本外，UWB 雷達(dá)傳感器的功耗由于其較低的載波頻率而顯著降低。汽車制造商正在積極研究為他們的車輛配備兒童檢測(cè)系統(tǒng)。從 2023 車型年開始，
提高 UWB 技術(shù)的數(shù)據(jù)速率
增加 UWB 應(yīng)用中的電池壽命是未來采用該技術(shù)的重要推動(dòng)因素。在這一領(lǐng)域有重大的發(fā)展努力，但推動(dòng) UWB 的邊界超越了能源消耗的挑戰(zhàn)。imec 的研究人員正在研究該技術(shù)如何在保持低功耗的同時(shí)支持極高比特率的應(yīng)用。
圖 3中所示的芯片采用 28 nm CMOS 制造，表面積為 0.155 mm2，可為體內(nèi)和短程應(yīng)用提供高達(dá) 1.66 Gb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率。這比使用當(dāng)前 IEEE 802.15.4z 標(biāo)準(zhǔn)的速度快 50 倍以上。盡管有這些創(chuàng)紀(jì)錄的比特率，發(fā)射器的功耗仍低于 10 mW。我們認(rèn)為 5.8 pJ/b 的能效至少比 Wi-Fi 提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖3.節(jié)能型高數(shù)據(jù)速率 IR-UWB 發(fā)射器。
該芯片使用基于全數(shù)字鎖相環(huán) (ADPLL) 和數(shù)字控制功率放大器的復(fù)雜調(diào)制方案來實(shí)現(xiàn)報(bào)告的數(shù)據(jù)傳輸速率。該架構(gòu)使用高能效、低抖動(dòng)的環(huán)形振蕩器和低功耗極性發(fā)射器，以盡可能小的尺寸實(shí)現(xiàn)這些混合脈沖調(diào)制方案。圖 3，最初發(fā)表于IEEE 固態(tài)電路雜志，顯示了所提出的低功率基于極化的 IR-UWB Tx 能夠執(zhí)行 3D 混合脈沖調(diào)制以支持更高的數(shù)據(jù)速率。振幅和相位調(diào)制可以由極性架構(gòu)獨(dú)立執(zhí)行。與之前提出的無載波拓?fù)洳煌?，所提出?Tx 獨(dú)立于載波相位調(diào)制脈沖延遲。
脈沖波形由數(shù)字控制 PA (DPA) 和脈沖整形器 (PS) 整形，后者使用八個(gè)延遲單元在 RF 域中執(zhí)行 FIR 濾波。每個(gè)延遲單元的輸出啟用八個(gè) PA 單元。脈沖的形狀和寬度可以通過 PS 輸出的延遲進(jìn)行調(diào)整。采用基于注入鎖定環(huán)的數(shù)字控制振蕩器 (DCO) 為 8-PSK 調(diào)制方案的八個(gè)相位在寬頻率范圍內(nèi)提供低抖動(dòng)信號(hào)。7 位、238 Msym/s 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流在與 476 MHz 系統(tǒng)時(shí)鐘 (SYS_CLK) 同步后分配到 PAM、PSK 和 PPM 調(diào)制路徑。具有 32 個(gè)單元單元的數(shù)字 PA 最多支持 4-PAM。8-PSK 調(diào)制是通過使用相位選擇器 (PHMUX) 從 ILRO 選擇八個(gè)相位之一產(chǎn)生的。
圖 3 所示架構(gòu)的應(yīng)用是下一代智能眼鏡，可實(shí)現(xiàn)身臨其境的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 和虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 體驗(yàn)。神經(jīng)科學(xué)研究也可以受益于用于皮質(zhì)內(nèi)傳感目的的高比特率和小型化無線遙測(cè)模塊。在每一種情況下，UWB 都可能成為 Wi-Fi 的有力競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)，因?yàn)?Wi-Fi 實(shí)施通常涉及占用空間更大的更復(fù)雜的系統(tǒng)。
結(jié)論：UWB 已準(zhǔn)備好支持大眾市場(chǎng)部署
雖然需要進(jìn)一步的研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作才能使 UWB 技術(shù)走向成熟，但初步結(jié)果的可喜成果證明 UWB 可以支持范圍廣泛的新應(yīng)用，這些應(yīng)用結(jié)合了對(duì)短距離高數(shù)據(jù)傳輸率、極低能耗和外形小巧。UWB 技術(shù)已證明其支持大眾市場(chǎng)安全測(cè)距和本地化部署的能力，這對(duì)于關(guān)注 UWB 潛力的商業(yè)公司來說是一個(gè)重要的收獲。IEEE 目前正在進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化工作以及支持性監(jiān)管、互操作性和認(rèn)證討論將在很大程度上決定 UWB 技術(shù)的未來發(fā)展方向。
imec 恰恰處于這兩種努力的十字路口。imec 與工業(yè)合作伙伴合作，將我們研究團(tuán)隊(duì)取得的技術(shù)突破商業(yè)化。他們還是 IEEE、CCC 和 ETSI/FCC 等標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)和行業(yè)聯(lián)盟的積極參與者，以幫助塑造當(dāng)前和未來的 UWB 應(yīng)用。
編輯：黃飛
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