2019年和2020年對于超寬帶（UWB）技術可以說非常重要。一方面，UWB技術終于正式進入了主流消費電子產品（iPhone 11），另一方面，在今年下半年，IEEE更新了UWB的相關標準（802.15.4z），從而為UWB進一步進入主流應用鋪平了道路。

UWB技術歷史沿革

UWB技術發(fā)展的第一個里程碑可以說是2003年UWB美國和歐洲標準的發(fā)布。 頻譜是一個相當寶貴的資源，每個國家和地區(qū)都有自己獨特的頻譜分配方案。 傳統(tǒng)的射頻系統(tǒng)中，射頻信號的功率都集中在相應協議對應的頻譜段上，而在協議之外的頻段則必須保證泄露的功率足夠小以避免干擾。 而UWB則使用了另一種思路，它將自己的信號功率分配在很寬的頻譜段中（常常超過1GHz），而在每一個頻點的功率都很小，從而避免對其他無線協議的干擾。 這樣做的好處是UWB可以在全球不同的地區(qū)都能普適地工作，而無需擔心每個地區(qū)的頻譜分配。

如前所述，UWB的特征是帶寬大，但是頻率點功率密度小，因此傳輸距離通常限制在一米到數十米的范圍內；同時，它的帶寬大，因此傳輸速率可以做到較快，但是其傳輸速率也被功率密度所限制，因為信噪比的原因無法實現復雜的調制方案，其傳輸數據率通常在1Gb/s以下。另一方面，由于UWB的調制方式通常比較簡單，因此其無線收發(fā)芯片的架構也相對簡單，因此UWB無線收發(fā)系統(tǒng)的功耗較小，而能效比則較高。

UWB最早設想的應用是作為PC的外設做短距離無線傳輸，以充分利用其帶寬大的特點，同時在這樣的應用中UWB傳輸距離近的限制也不是問題。然而，這樣的應用方向市場并不認可，一方面短距離傳輸使用UWB相對于USB等其他方案來說無論是成熟度還是成本都沒有優(yōu)勢，另一方面應用在類似距離場景的無線協議（如WiFi）則在興起并且其傳輸速度改善速度很快，這也從另一個方向降低了UWB的競爭優(yōu)勢。

UWB的另一個應用思路是利用其低功耗的優(yōu)勢，因此曾經有很多關于把UWB應用在可穿戴設備上的研究。然而，UWB在這個場景里又遇到了藍牙。相對于藍牙，UWB的功耗優(yōu)勢并不是特別顯著，尤其是在可穿戴設備和手機等智能設備之間通信無需很高的數據率時，UWB的高帶寬高能效比特性更是難以體現。

UWB在沉寂了多年之后，終于憑借其高帶寬的優(yōu)勢找到了一個合適的應用，即定位應用。在定位相關的應用時，UWB高帶寬的特點決定了其定位精度較高（這里的原理和雷達很接近）。有趣的是，最早設計UWB的時候，希望高帶寬能帶來的是高數據率，然而和UWB相關的數據傳輸應用都沒有得到市場認可，反而是在和雷達比較接近的定位應用用上了其高帶寬的特點。

UWB正處于爆發(fā)前夜

在過去兩年中，UWB用于定位的特性幫助其進入了主流消費電子領域。UWB定位的一大優(yōu)勢是其精確度高。與藍牙或WiFi等基于射頻信號強度來做定位的方法相比，UWB使用的原理是和一些汽車雷達類似的飛行時間（ToF），即發(fā)送端發(fā)射一個信號，接收端在收到這個信號之后經過協議定義的延遲后再發(fā)回給發(fā)送端，這樣發(fā)送端只要比較發(fā)送和接受信號的時間差并乘以光速就能獲得發(fā)送端與接收端之間的距離。根據多個發(fā)送端對于接收端的距離，就可以通過幾何關系計算出接收端的位置，從而實現定位。相對于基于其他無線協議定位的高誤差（米級別），UWB定位可以實現分米甚至厘米級別定位精度。

UWB和雷達信號的相似性也啟發(fā)了使用UWB做高指向性應用。眾所周知，雷達通過天線陣列可以實現高指向性掃描，因此UWB配合類似的天線設計，也可以實現高指向性的信號傳輸，這一點在蘋果iPhone 11和小米的“一指連”中都得到了充分應用。例如，小米的“一指連”使用了天線陣列，從而實現高指向性UWB信號收發(fā)，最終實現了手機可以把視頻投影到它所指向的電視上的效果。

此外，UWB定位還有另一個獨特的優(yōu)勢，就是安全性。在前幾個月剛剛發(fā)布的IEEE 802.15.4z更新標準中，對于UWB定位的安全性做了改進，從而可以從理論上進一步防止基于UWB的定位被黑客入侵和篡改。由于UWB的定位是基于飛行時間，因此定位的時候需要設備實際在場，這樣一來黑客就難以使用一個不在場的設備來偽造和定位設備之間的通信。UWB的安全性將在汽車鑰匙遠程解鎖等應用中得到體現。

在過去幾年，UWB的發(fā)展得到了市場和標準制定組織的多重助力，并實現了進入主流智能設備（iPhone 11 和三星Note 20 Ultra）這一重要里程碑。同時，在科研領域也獲得了久違的重視，在2021年ISSCC上又為久違的UWB重新開設了一個會議議程，我們認為這也從另一個角度體現了UWB在未來幾年將會進入高速發(fā)展期。根據UWB Alliance的預測，到2025年UWB芯片的總體芯片收入將達到2020年的10倍。

UWB未來應用方向與我國半導體企業(yè)的機會

我們認為，未來的UWB的核心發(fā)展方向仍然是雷達類應用（即定位和指向）。

在定位和指向應用中，首先智能家電將會成為UWB重要的使用場景。iPhone 11中的U1 UWB芯片根據指向來優(yōu)先傳輸AirDrop只是該技術的小試牛刀，未來隨著物聯網智能設備更多地進入家庭，憑借UWB的指向性特性手機將成為下一個遙控器，同時智能設備之間使用UWB定位也能完成眾多新穎的應用場景，例如家用機器人的智能定位和導航等。

除了智能設備之外，另一個能充分利用UWB定位能力的應用場景是車載應用，例如無線車鑰匙等。隨著智能化汽車的普及，一些遠程操控空能將會越來越復雜（例如遠程離開停車位，遠程啟動等等），然而其安全性必須得到保障以避免被黑客實現入侵和偷竊，因此基于UWB高安全性特性的方案將會在這個領域占有越來越重要的地位。

從無線技術上來說，UWB的實現比起手機通信來說要容易許多，其復雜度甚至會比WiFi更低，而最關鍵的是如何與應用相結合。我們認為，這對于中國目前紛紛開始自研芯片的手機和智能設備公司來說是一個好消息，因為小米，Oppo、華為等系統(tǒng)廠商本來就離應用很近，可以很容易地根據自己的應用路線圖去自己設計UWB芯片（就像蘋果自研U1 UWB芯片一樣），這一方面可以實現差異化競爭，另一方面又提升了整體應用方案的獨特特性，因此我們認為小米，Oppo、華為等系統(tǒng)廠商有機會成為未來UWB應用+芯片的整體領導者。除此之外，由于UWB芯片的技術門檻較低，我們認為在市場出貨量上升之后，我們也會快速看到一批有技術積累的中國公司進入市場搶占份額?？傮w而言，我們預期在未來的數年內，UWB技術和市場發(fā)展將會進入快車道，同時我們也期待中國芯片在這個領域大放異彩。
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