Murata 技术的超宽带 (UWB) 无线通信

在本文中，我们将概述超宽带通信，并探讨Murata支持其实现的元件解决方案。 

消费者对快速、高精度通信的需求丝毫没有减缓的迹象。上一代协议，如Wi-Fi、Bluetooth和GPS提供了可接受的性能水平，但仍然存在对更高精度的强烈需求。超宽带(UWB)技术满足了这一需求。在本文中，您将了解UWB通信的概况，并探索Murata为其提供的组件解决方案。

什么是超宽带 (UWB)？

这样，UWB无线通信因其使用的宽频带和低于噪声水平的传输功率水平的通信特性，被认为具有对其他通信的低干扰特性。而且，由于通信本身不为第三方所知，因此具有高安全性。此外，还可以实现低功耗通信。   如图1所示，在UWB无线通信中，持续时间约为2纳秒（10^-9秒）的脉冲被发送作为数据。这些短持续时间的脉冲在测距和定位方面具有高分辨率的特性。   另一方面，时域内的小脉冲持续时间意味着频域内的功率谱占据了宽频带。（我们将在另一页面上解释通信中的时域和频域。）   图2定性地显示了UWB无线通信在该频域内的传输功率（功率谱密度）。例如，如果我们与传统通信如2G手机或Wi-Fi和3G手机所使用的频带宽度进行比较，可以看到UWB无线通信是压倒性宽的。   此外，除了低于其他通信方法外，UWB无线通信的传输功率峰值被设定为低于美国联邦通信委员会（FCC）为发射无线电波的数字设备所建立的-41.3 dBm/MHz（75 nW/MHz）的辐射电磁噪声法规值—噪声水平法规值。   这样，UWB无线通信因其使用的宽频带和低于噪声水平的传输功率水平的通信特性，被认为具有对其他通信的低干扰特性。而且，由于通信本身不为第三方所知，因此具有高安全性。此外，还可以实现低功耗通信。

*1: 美国联邦通信委员会（FCC）是负责管理和监管美国所有无线或有线通信的政府机构。   *2: dBm/MHz 指的是每 1 MHz 频宽的功率水平（功率谱密度）。dBm 是将功率转换为常用对数时的单位。在通信系统中，处理的数值范围极其广泛。直接处理不便，习惯上使用对数表达式来缩小范围。

将 UWB 标签附加到物品上可以防止丢失。举例来说，假设您将 UWB 标签附加到包、钱包、钥匙和其他类似物品上。然后，您可以使用配备 UWB 模块的智能手机，通过以厘米级精确定位 UWB 标签的位置来找到这些物品。此外，尽管 UWB 标签的电池是纽扣电池，但据说由于其低功耗，它们可以使用大约一年。

通过使用配备UWB模块的智能手机和其他设备，可以构建一个免提和安全的建筑和房间进出系统。   利用UWB的高精度测距和高安全性功能，您可以在不拿出钥匙或IC卡的情况下，安全地解锁此前使用PIN码、物理钥匙、IC卡等机制的公寓住宅，以及处理机密信息的办公室和工厂。这样，人们期望应用程序的扩展能够实现建筑和房间的顺畅进出。

可以通过使用配备UWB模块的智能手机和其他设备，为超市、便利店、餐馆及其他商业设施建立免提且安全的支付系统。也可以为车站闸口、娱乐和休闲设施、住宿设施、停车场等设施建立计费系统。   人们期待能够实际使用并普及应用，利用UWB的高精度测距和高安全性，无需掏出钱包、IC卡、智能手机或类似设备，就能实现免提顺畅的支付和费用结算。

汽车智能钥匙是UWB无线的应用，利用其高精度测距和定位。例如，可以设置操作功能，例如当确定车主在距离车辆约1米范围内时可解锁车辆，并在车主距离车辆数十厘米内时启动引擎，通过在汽车附近使用UWB无线通信来实现。   此外，UWB无线是一种具有极低传输功率的保密通信。这意味着它增强了安全性。例如，它可以防止一种称为“中继攻击”的盗窃技术，第三方通过中继传统无线钥匙不断输出的无线电波来解锁车辆。

据称，用于车载网络（如控制器局域网 (CAN)）的线束（车内组件包括电线和连接端子）随着汽车通过配备各种传感器、雷达、AI系统和其他技术并将这些元素连接在一起而兼容物联网，其总长度达到10公里，总重量达到50公斤，具体取决于汽车型号。在这种汽车作为联网汽车并行进化的情况下，据称干扰其他通信较低的UWB无线技术在使车载网络无线化方面是有效的。

工厂、仓库和其他设施中的实时定位系统 可以使用多个 UWB 锚点和 UWB 标签*4 构建实时定位系统 (RTLS)。该系统能够以高精度和实时掌握放置在工厂和物流设施等场所的组件、包裹和其他物品的位置。   *4：通过使用 UWB 无线通信进行定位，多个锚点可以接收从标签发出的信号，然后处理该信息以准确了解该标签的位置（参考专栏）。工业用 UWB 锚点通常与定位引擎、应用服务器和其他系统一起操作。

村田制作所（以下简称“村田”）拥有一系列小型和低功耗的UWB模块，这些模块通过采用NXP或Qorvo的UWB芯片组，并配备我们高可靠性的滤波器、时钟、天线和其他外围组件来配置。

主要用途：电池供电设备的通用物联网设备。我们为这些模块采用了NXP Trimension™ SR150 UWB芯片组。它们是由共形屏蔽和树脂模具组成的小型模块。它们支持具有三天线规格的2D AoA和3D AoA。   Type 2BP: 基于NXP的UWB模块

主要用途：使用纽扣电池低功耗操作的UWB标签/追踪器和通用物联网设备。这些模块是组合模块，我们采用了NXP Trimension™ SR040 UWB芯片组和NXP QN9090 Bluetooth® LE + MCU芯片组。它们配备了一体化的板载天线和外围组件。   类型2DK：基于NXP的UWB模块  

主要用途：操作在小型电池上的物联网设备和应用。这些模块是UWB模块，采用超小型、高品质、低功耗设计，我们采用了Qorvo QM33120芯片组。它们配备了用于UWB唤醒（解除睡眠）和固件更新的Bluetooth® LE芯片组，我们的加速度计、UWB和MCU参考时钟，以及其他组件。   Type 2AB: 基于Qorvo的UWB模块

主要用途：在小电池上运行的物联网设备和应用。这些模块是具有超小型、高质量和低功耗设计的UWB模块，我们采用Qorvo QM33120芯片组。它们配备了用于UWB唤醒（取消休眠）和固件更新的Bluetooth® LE芯片组、我们的加速度计、UWB和MCU参考时钟，以及其他组件。   Type 2AB：基于Qorvo的UWB模块

通常将测距与飞行时间（ToF），以及与到达角度（AoA）的角度测量结合在如具备UWB功能的智能手机之间或用于工业的UWB锚点和UWB标签中，作为使用UWB无线通信的定位方法。我们在下面解释每种方法。

使用带有超宽带(UWB)无线通信的飞行时间(ToF)测距，是一种通过测量从消息（信号）发出到接收的时间来计算到目标物体的距离的机制。具体来说，UWB发射器发射短脉冲信号，然后接收器接收这些信号。从信号发射到接收所需的时间称为ToF。   使用ToF技术的UWB测距使得可以通过电磁波的速度（光速）和所需的时间来计算距离。具体来说，距离是通过所需时间与光速的乘积获得的。UWB的超宽带特性使得可以使用短脉冲信号。因此，可以获得高时间分辨率和测量精度。结果是，我们可以期望在传感和定位应用中获得高精度的测量结果。因此，它被用于多个领域。   UWB测距技术有两种主要技术：单边双向测距(SS-TWR)和双边双向测距(DS-TWR)。这些技术采用不同的方法对信号的往返进行距离测量。  

SS-TWR 是一种仅使用一个设备测量往返时间的方法。在这种技术中，设备 A 发出信号给设备 B，然后设备 B 接收这些信号并将回复信号发送回设备 A。设备 A 通过测量从信号发出到接收所需的时间来计算往返时间。   此方法仅需设备 A 即可进行测量。然而，需要对两个设备进行时钟同步。

DS-TWR是一种测量两设备往返时间的方法，并共享结果。在此技术中，设备A向设备B发送信号，设备B接收到这些信号后，再将回复信号发回设备A。设备A和设备B分别测量从信号发射到接收所需的时间。然后，他们使用这些结果来计算往返时间。此方法不需要时钟同步，这意味着可以实现更简单且更高精度的测量。

AoA是一种从设备A看到的位置计算设备B方向角度的方法。如图4所示，在UWB无线中的AoA角度测量是一种机制，其中从设备B发出的无线电波被设备A的多个天线接收，以通过接收到的无线电波的相位对比来计算角度。因此，可以使用两个天线通过角度测量进行平面定位（2D AoA），使用三个天线进行三维定位（3D AoA）。