作者：Aker Technology

2024-07-17

超寬帶 (UWB) 是在第二次世界大戰期間為安全通信和雷達系統開發的，后來被禁止用于商業用途，幾十年來一直未得到充分利用。2002 年發布的美國聯邦法規允許廣泛地使用 UWB。此后，該技術在工業、消費、通信和汽車等越來越多的商業應用中獲得了顯著的發展。這些應用都利用了該技術的精確定位和位置跟蹤能力，以及這種無線協議所帶來的高速數據傳輸和最小功耗。

與藍牙和 Wi-Fi 等其他短程無線通信協議一樣，可通過 UWB 創建個人局域網 (PAN)，實現電子設備互連并促進個人周圍的數據傳輸。PAN 不通過 LAN 或 WAN 發送數據，而是在個人附近的設備之間傳輸信息。

然而，UWB 在幾個關鍵方面與其他傳輸技術不同，這也推動了 UWB 在越來越多的主流無線應用中得到使用。

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

UWB 的工作頻率非常高，且不會干擾其他無線協議。該技術有助于實現空間音頻、智能家居集成和非接觸支付系統等特性，在汽車、移動和消費設備（如智能手機和標簽設備）中尤其有用。這項技術有助于實現安全免提訪問、室內導航、非接觸支付、憑證共享和物品追蹤等高級功能。

UWB 帶來的優勢

雖然藍牙和 Wi-Fi 都已在無線通信領域占有一席之地，但由于 UWB 速度更快、更安全且精度極高，將在 10 - 20 m 范圍的應用中占據主導地位。這主要得益于飛行時間 (ToF) 測量。

| | | WI-FI | 藍牙 | UWB |
| -------------------- | ----------- | ------------- | -------------------- |
| 頻譜帶 | 2.4/5 GHz | 2.4/5 GHz | 3.1 GHz ~ 10.6 GHz |
| 標稱范圍 | 250 m | 100 m | 10 m ~ 20 m |
| 精確度 | 2 m ~ 3 m | 1 米 ~ 5 米 | 10 cm ~ 30 cm |
| 數據速率 | 600 Mbps | 24 Mbps | 460 Mbps |
| 安全 | 中級 | 中級 | 高級 |

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據，是高速、短距離數據傳輸的理想選擇。（圖片來源：Aker Technology）

通過精確測量信號在設備間傳輸所需的時間，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、隨機數生成和其他安全技術。

除了安全性高之外，UWB 技術還具有功耗低、抗噪能力強、精確定位和位置跟蹤以及信號易于穿透各種材料等優點。UWB 可以傳輸大量信號能量，而不會干擾同一頻段內的傳統窄帶和載波傳輸。

無線速度（實時數據、精確定時）： 雖然 Wi-Fi 的數據傳輸速率比 UWB 稍高，分別為 600 Mbps 和 460 Mbps，但 UWB 類似雷達的探測能力使其成為無線應用的有效選擇。（藍牙的數據傳輸速率為 24 Mbps，僅供參考）。此外，UWB 的標稱距離小于藍牙或 Wi-Fi，最適合需要精確定時和實時數據傳輸的短距離應用。

準確性（定位、位置跟蹤）： UWB 在短距離內的準確性是其他無線技術無法比擬的，可確保更精確的設備定位。由于不受其他無線電傳輸和無線電猝發技術的干擾，UWB 可以有效地測量距離，精確度可達 10 cm 至 30 cm，遠遠優于 Wi-Fi（2 m 至 3 m）和藍牙（1 m 至 5 m）的測量范圍。

安全性（數據完整性、安全傳輸）： UWB 的脈沖傳輸技術具有抗噪聲和抗反射的特性，因此在各種應用中都具有很高的安全性。兩個設備之間可直接連接以及精確測量特性，使 UWB 能夠實時連接并驗證設備的合法性，而不會出現無線電波被記錄或轉發。

功率效率（低漏電、最佳消耗）： UWB 傳輸速度快，定時幀定義明確，因此比大多數短程協議更節能。該技術支持多種低功耗模式，包括休眠模式，可進一步優化功耗。對于小型電池供電設備（如 UWB 環境中的設備）來說，功耗是關鍵因素。

晶體振蕩器可實現 UWB 應用

UWB 滿足了短距離無線應用在寬頻率范圍內的許多要求，但這也提出了對精確頻率控制的需求，以確保精確的定位、位置跟蹤和高速數據傳輸，這正是 UWB 的優勢所在。

| | 應用 | 描述 | AKER 產品 |
| -------------------- | ------------------------------------- | -------------------------- |
| 錨點 | UWB 汽車級收發器 XTAL 2016 55.2 MHz | C1E-55.200-8-1035-A-X2-R |
| 錨點 | UWB 收發器 XTAL 2016 55.2 MHz | C1E-55.200-8-1035-X-R |
| 錨點 | MCU 汽車級 XTAL 2016 40 MHz | C1E-40.000-8-1030-A-X2-R |
| 標簽 | UWB 收發器 XTAL 2016 55.2 MHz | C1E-55.200-8-1020-R |
| 標簽 | BLE XTAL 2016 16 MHz | C1E-16.000-10-1520-X-R |
| 汽車鑰匙 | UWB 汽車級收發器 XTAL 2016 38.4 MHz | C1E-38.400-10-1010-A-X-R |
| 汽車鑰匙 | BLE 汽車級 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間、速度傳輸信息時所需的信號和定時控制。晶體的穩定性、相位噪聲特性和功率效率會影響 UWB 通信和定位系統的質量和可靠性。（圖片來源：Aker Technology）

穩定的振蕩器可提供可靠、準確的時鐘信號，確保 UWB 脈沖保持所需的形狀和頻譜。換句話說，UWB 發射器產生的脈沖形狀會受到振蕩器提供的定時影響。

振蕩器的頻率漂移或不穩定會導致信號失真和性能低下，因此選擇具有正確頻率范圍、容差和穩定性的晶體至關重要。其他關鍵參數包括封裝類型、工作溫度和負載電容。

主要 UWB 市場

UWB 首次出現在 iPhone 11 中，并迅速在大量基于 PAN 的應用中得以普及，其中包括了智能標簽和車載參考點或錨點。UWB 技術有助于推動智能無線技術創新，更好地實現全球自動化。以下是 UWB 正在為各種短距離無線市場帶來變革的其他幾種方式（圖 2）：

工業 - UWB 用于資產跟蹤、室內定位、監控系統、無線傳感器網絡和智能電網應用。該技術可為人員和設備提供準確的定位信息。

消費通信 - 該技術用于智能手機、可穿戴設備、物聯網、智能家居系統和智能標簽，在短距離設備之間實現快速可靠的無線連接。UWB 可提供更準確的空間跟蹤，如精確的室內定位。

汽車 - 在汽車行業中，無鑰匙進入、安全車輛訪問、高級駕駛輔助系統 (ADAS) 和跟蹤都通過 UWB 實現精確定位。

頻率控制助力無線創新

隨著無線連接需求的日益擴大，特別是物聯網設備的激增和 5G 網絡的部署，正在將跨頻段數據傳輸推向新的極限。不斷發展的無線基礎設施依賴 UWB 所提供的關鍵性能參數。

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

結束語

UWB 技術實現了安全測距和精確檢測，為無線設備創造了新的空間環境。UWB 可以傳輸大量信號能量，而不會干擾同一頻段的傳統窄帶和載波傳輸。在物聯網、可穿戴設備、實時定位、智能汽車門禁、家庭控制面板、點對點通信、自動解鎖和門禁管理等領域，UWB 是未來的發展趨勢；Aker 將通過其種類繁多的定時[晶體]參與其中。

審核編輯 黃宇