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火爆的UWB芯片

2022-05-11
来源:芯路芯语
关键词: UWB 芯片

  在无线连接技术中,蓝牙和Wi-Fi已被大家熟知。而近年来,UWB连接则逐渐兴起。苹果推出的iPhone11 全系搭载了支持 UWB 技术的 U1 芯片;北京召开的冬奥会,也采用了UWB技术进行厘米级定位。

  什么是UWB芯片?

  UWB,就是 Ultra Wideband,超宽带技术。它源于 20 世纪 60 年代兴起的脉冲通信技术。在 2002 年以前,UWB 被广泛用于军事方面的用途。美国国防部首次使用了UWB这一术语,意指产生、传输、接收一段持续时间非常短(纳秒或以下)的爆发式射频能量脉冲。

  在2002 年时,FCC(美国联邦通信委员会)为 UWB 分配了 3.1~10.6 GHz 共 7.5 GHz 频带,还对其辐射功率做出了比 FCC Part15.209 更为严格的限制,将其限定 - 41.3dBm 频带内,才将 UWB 技术解禁,准许进入民用领域。

  UWB 不同于传统的通信技术,它通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来实现无线传输。由于UWB脉冲时间宽度极短,因此可以实现频谱上的超宽带:使用的带宽在 500MHz 以上。

  与蓝牙相比,UWB技术延迟更短、传输数据更大,它不仅使用 3.1 和 10.6 GHz 之间的更高频率,因为UWB使用更宽的 500 MHz 信道,可以在短时间内发送大数据包,而蓝牙通常限制在 20 MHz。UWB 的延迟通常只有一毫秒,而蓝牙 LE(低功耗)的延迟明显更长。UWB 还提供更长的范围,理论上可以达到 250 米。

  简而言之,这项技术通过超大带宽和低发射功率,实现低功耗水平上的快速数据传输。由于 UWB 脉冲的时间宽度极短,因此也可以采用高精度定时来进行距离测算。

  并不是那么新的UWB技术在蒙尘几十年后,随着物联网的逐渐兴起,UWB技术也开始展露它的光辉。

  改变游戏规则

  精准定位的特性让UWB进入了主流消费电子领域。

  可穿戴设备已经成为UWB的目标市场之一,如在智能手表中加入UWB功能,能够将定位范围做到±3度、定位距离缩小到5-10厘米的精度,这将比蓝牙“米”级精度有了大幅的提升。

  目前已经使用UWB超宽带技术的消费电子品牌除了苹果、小米外,三星也非常看好 UWB 技术,认为其将成为下一代可以改变游戏规则的无线通信技术之一。

  Airdrop是苹果UWB技术应用的代表性应用。从iPhone 11系列手机开始,苹果已先后在Apple Watch S6、HomePod mini智能音箱、iPhone12 系列手机和Aritag无线追踪器这些产品内,都应用了自研的UWB方案。苹果表示,U1 芯片将显著提升苹果 iPhone 手机的空间感知(Spatial Awareness)能力,结合UWB技术,可以实现更多可能。

  三星主要是在手机上导入了UWB方案,具体型号包括Galaxy Note 20 Ultra、 Galaxy Z Fold 2、 S21+和S21 Ultra,同时三星也推出了采用UWB技术的SmartTag+智能追踪器。据iFixit拆解显示,三星在Galaxy Note 20 Ultra上采用的是 NXP恩智浦的一款特别研发的Secure UWB芯片。

  根据市场调研机构market&market预测,全球室内定位市场规模将由2017年71.1亿美元增长到2022年的409.9亿美元,并将保持42%的复合增长率。因此,UWB定位行业正处于快速发展时期。

  据ABI Research分析,到2026年,支持UWB的设备出货量将从2020年的1.43亿台增长到超过13亿台。

  UWB芯片发展瓶颈

  早期,UWB定位方案的核心元器件采用的是分离电路板方式,并没有实现标准化的芯片产品,虽然分离电路板可以实现不错的定位性能,但是其产品的功耗、尺寸以及成本居高不下,尤其是分离电路的玩法,客户只能购买整体的方案,其他的技术企业难以参与。

  而UWB定位芯片出现之后,使得UWB最具技术壁垒与核心的环节得以标准化,因此,直接刺激了大量的企业涌入到UWB定位领域中进行技术的二次开发,以及市场应用的拓展。

  目前,HID Global,恩智浦,三星,博世,索尼,LitePoint和TTA等组建了FiRa联盟,该联盟组织目的在于制定UWB室内定位行业的互操作性,同时将打破不同标准和制式的藩篱,形成全球统一标准。目前国内加入此联盟的厂商包括小米公司、信维通信、浩云科技、沃旭科技、精位科技、清研讯科、联睿电子等。

  对于目前UWB产业发展存在的问题,业内人士表示:“一个是芯片方案过于单一。芯片供应商在一个产业中属于需要高度标准化的一个环节,芯片方案过多,会造成方案的差异化严重,产品良莠不齐,并且会加剧行业竞争。并且,研发一款芯片产品的成本昂贵,出货量如果达不到千万级别,很难盈利,所以芯片这个环节注定玩家不会过多。”

  但是单一的芯片商护士的市场没有竞争方案出现,行业也会陷入另个发展困境。

  “UWB 方案价格偏高,也是一大问题。”业内人士表示。

  由于UWB技术能够精确至厘米级,在早期定位其定位就属于高端市场,类似军工、奥运会的等级,因此其价格非常昂贵。高居不下的成本让很多企业望而却步,更别说运用在消费领域了。因此,价格也是困扰UWB发展的另一大问题。

  国内玩家增多

  有业内人士分析:“目前定位技术种类繁多,基于细分场景应用的需求,UWB凭借穿透力强、功耗低、安全性高,特别是高精度等特性,以及上下游产业链的完善,UWB定位在智能家居领域的爆发将逐步到来。”

  在FCC公布UWB相关规定后,中国在标准制定及频谱规划方面也做了调研准备工作。2008年,工信部正式颁布超宽带技术相关的频率规定。中国的UWB标准采用了OFDM双载波技术,包含两个载波的OFDM超宽带信号进行数据传输,中国的UWB标准使用的频段主要集中在6-9GHz。

  已经可以确定,UWB是终极一代的位置服务技术平台,将弥补GPS、北斗的缺陷,成为向整个社会提供室内、室外高精度三维位置信息的基础设施。

  国内厂商诸如浩云科技、环旭电子、长电科技、欧菲光等也在UWB技术或产品层面早有布局,且环旭电子和长电科技皆是苹果的UWB相关产品供应商。纽瑞芯科技、瀚巍微电子先后在去年年底和今年1月完成新一轮融资,小米等下游厂商也在对UWB芯片研发企业进行投资并构建UWB生态。

  驰芯半导体推出国内首款商用的UWB芯片CX300,这款芯片是国内首款具备商用能力的UWB芯片,填补了国产UWB芯片的空白。

  纽瑞芯的UWB定位通信系统芯片采用全集成SoC,实现通信定位系统功能;时分通道实现通信和定位功能;动态信道频率3~9GHzu超低功耗设计,是一种微型化全集成芯片方案。纽瑞芯优化算法片上集成硬件加速器实现厘米级精度定位,创新抗多径算法和海量用户快速定位算法,支持多频段动态切换。纽瑞芯目前可提供的产品包括:天线调谐芯片、UWB定位通信系统芯片、物联网芯片和5G小基站收发机芯片。

  精位科技JR3401是一款UWB室内定位射频前端芯片,完成3G-6GHz宽带脉冲调制信号的放大、滤波、检波、脉冲基带信号放大驱动、基带脉冲比较器、高速基带脉冲ADC、数字脉冲信号输出和LDC等功能。芯片集成SPI接口,通过该接口实现芯片的工作模式配置及性能指标优化。采用180nm RF CMOS 工艺实现高度集成的UWB接收芯片。

  清研讯科TSG5162,符合802.15.4Z/Bluetooth5.1标准的双频室内定位芯片,具有TWR/TDOA/PDOA/AOA多种测距测角能力,适用于手机生态链为代表的个人智慧终端与IoT类应用,可以满足All-in-one需求、多天线需求、算法集成需求、小尺寸需求应用场景。

  国内的浩云科技也是通过并购润安科技成功切入UWB领域。据了解,润安科技是深圳市多功能智能杆配套产品中的UWB独家入库单位,也是中国核电独家中标的UWB高精准位置管理系统供应商。当前,浩云科技可提供定位算法服务器、室外定位基站、电子身份定位卡牌等产品。

  在ToB市场,UWB技术产业链较为简单,可以分为芯片和解决方案两个环节,有些公司甚至从事芯片和解决方案的完整布局。当前To B类的应用场景中,出货量无法像ToC类应用一样进行大规模的爆发。在ToC市场,UWB技术产业链正形成芯片、模组、整机等多个环节,此外,UWB技术也为FPC、功能结构件等产业打开新的市场。

  在2018年,国内UWB企业级应用市场出货量为百万级,随着新的芯片玩家进入,未来几年,在企业级应用市场,UWB将会保持着超高的发展速度,预计在2022年将会超过千万级的量,达到1200万片左右。

  总结

  超宽带是一项潜力巨大的技术,目前仍处于起步阶段。它并非旨在取代 Wi-Fi、蓝牙或 NFC,而是智能地补充它们。支持 UWB 的设备数量仍然非常易于管理。但是,三星等制造商也使用此功能为更昂贵的高端智能手机提供卖点。这种情况在未来应该会改变,UWB 也将进入普通大众市场。汽车制造商也在着手在他们的车辆中安装无线电标准。

 

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