UWB的下一步，与WiFi全方位竞争

在越来越多的无线通信选项（如 Wi-Fi、蓝牙和 NFC）中，越来越多的应用正在使用超宽带 (UWB) 技术的安全和精确范围功能来发挥它们的魔力。这种魔力使许多应用成为可能。免提门禁解决方案利用 UWB 的能力来跟踪接近的人，该技术同时可用于自动解锁汽车或建筑物的门。资产跟踪和基于位置的服务也可以利用 UWB 的能力，特别是在难以获取或维持稳定 GPS 信号的室内位置。用例包括以厘米级精度定位仓库、医院或工厂中的资产，以及帮助人们在机场和购物中心等大型空间中导航。

市场研究公司 Data Bridge 认识到该技术的增长潜力，并预计 UWB 的全球市场价值将从 2021 年的 11.6 亿美元增加到 2029 年的 18.4 亿美元。ABI Research 证实了这一趋势，该公司认为 UWB 技术在智能手机等应用中的年度设备出货量、车辆和物联网设备到 2026 年将达到 15 亿，高于 2022 年的 5 亿。这一发展与新 UWB 应用的激增齐头并进，这些应用将传感需求与低能耗、高抗干扰能力和高比特率。

今天的脉冲无线电 (IR) UWB 系统在测距精度方面大大优于窄带无线电。作为 2020 年 8 月采用 IEEE 802.15.4z 修正案的一部分，UWB 物理层的增强功能有助于实现该技术的安全测距功能。精细测距 (FiRa：fine-ranging) 和汽车连接 (CCC：car connectivity consortiums) 联盟等工业生态系统已经在汽车、智能工业、智能家居和智能建筑市场中标准化了支持 UWB 的用例。

虽然 UWB 系统具有明显的技术优势并且其采用率正在增长，但这些系统确实存在挑战。UWB 使用更昂贵的电路，系统也更复杂。系统的宽带性能还导致比蓝牙等窄带技术更高的功耗。这些挑战危及电池供电 UWB 应用的长期运行，并阻碍了该技术的更广泛采用。

为了应对功耗挑战，imec 在 2021 ISSCC 会议上推出了一款低于 5 mW、IEEE 802.15.4z 宽带发射器芯片。该发射器芯片的功率预算比当时最先进的 UWB 低 10 倍。该芯片采用 28 nm CMOS 工艺制造，占用的核心面积仅为 0.15 mm²，旨在支持具有成本效益的小型 UWB 部署。它在符合标准的操作中具有 4.9 mW 的功耗，同时遵守 UWB 严格的光谱发射规定。

该芯片利用图 1中所示的数字极性发射器架构来显着降低 IC 的功耗。这种架构不同于传统的 IR-UWB 发射器，后者通常使用 IQ 混频器将基带脉冲整形滤波器的输出上变频至射频频率，然后在传输前由线性功率放大器 (PA) 放大。这种传统方法会导致更高的功耗，这会限制电池寿命，从而限制 IR-UWB 应用。

图1. 兼容 IR-UWB IEEE 802.15.4z 的相干异步极性发射器。

极化发射机（polar transmitter）可以采用效率更高的非线性 PA。然而，笛卡尔坐标到极坐标的变换导致带宽扩展，这可能导致数字 PA (DPA) 时钟速率可能比芯片速率高 4 到 10 倍。这导致整个系统的高功耗。

在对IEEE 固态电路杂志的贡献中，imec 提出了一种采用脉冲整形器的异步极性发射器，该脉冲整形器由有限脉冲响应 (FIR) 滤波器组成，该滤波器采用基于电流匮乏的逆变器的延迟抽头，从而产生良好的功率/性能权衡。此外，注入锁定环形振荡器 (ILRO) 技术通过在数据包内的 IR-UWB 发射器信号突发之间实现快速工作循环，实现了更大的节能效果。这允许发射器的部分在脉冲之间关闭。建议的发射器与 IEEE 802.15.4z 标准兼容，支持相干操作，同时降低功耗标准。IR-UWB 发射器芯片还符合严格的频谱规定，这些规定规定了 UWB 发射器可以发射的频率，以避免干扰其他无线服务。该芯片的异步脉冲整形设计符合全球范围内的频谱发射法规，同时允许发射器在接近最大功率频谱密度 (PSD) 的条件下运行。

支持 UWB 的日益普及需要的不仅仅是低功率发射器。业界需要优化的 UWB 收发器，其中包括高性能测距、测向和定位算法。imec 的研究人员在 ESSCIRC 2022 的一篇论文中解决了这些问题。在这篇论文中，研究人员展示了一种超低功耗的 IR-UWB 802.15.4z 收发器，它在经济高效的硅布局、低能耗和精确定位之间取得了平衡测量。

imec所提出的设计在 28 nm CMOS 中实现，占用面积为 1.06 mm 2。该芯片的功耗降低源于高度优化、低功耗和抗干扰的接收器 (Rx) 架构以及创新的数字极化发射器架构。分布式两级数字 PLL 可进一步降低芯片的功耗，并有助于缩短定位测量时间。

图2.3 至 10 GHz IR-UWB 802.15.4a/z 1T3R 收发器。

收发器的系统架构如图2所示。它包含一个系统时钟发生器、一个高能效极性发射器 (Tx) 和三个带有独立 PLL 的 Rx。Rx 由两级低噪声跨导放大器、无源混频器、TIA（跨阻放大器）、低通滤波器和模数转换器 (ADC) 组成。Rx 中的所有放大器均由基于单元逆变器的 gm 单元组成，该单元由自偏置电流调节器调节。该 ADC 是一个 2 GSps 6 位 2x 时间交错 (TI：time-interleaved) ADC，它是 TI （time-interleaved）复杂性和切片采样率之间的折衷。该收发器在 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，同时实现- 33 dBm 带外 (OOB) 阻塞容限（ blocker tolerance）。

在超宽带技术不断完善的同时，业界正在探索几种新 UWB 应用的可行性，超越 FiRa 和 CCC 联盟所追求的典型安全和精细范围应用。该技术的大带宽使得构建 UWB 雷达系统成为可能，该系统可以比窄带技术以更高的分辨率和细节提取信息。凭借短射频脉冲特性，该技术可用于存在检测系统，它可以检测呼吸模式或人的心跳。人们一直在努力创建具有成本效益的 UWB 片上雷达系统，该系统具有高能效和指甲盖大小。

该技术可能成为汽车应用的推动者。高端车辆已经包含用于安全无钥匙进入的 UWB 锚点。汽车制造商没有添加额外的毫米波雷达传感器，而是探索利用已安装的 UWB 传感器进行被动存在检测应用的可能性。其中一些应用包括检测儿童或宠物是否无人看管在车内或监测驾驶员的身体参数。除了节省组件和安装成本外，UWB 雷达传感器的功耗由于其较低的载波频率而显着降低。汽车制造商正在积极研究为他们的车辆配备儿童检测系统。从 2023 车型年开始，

增加 UWB 应用中的电池寿命是未来采用该技术的重要推动因素。在这一领域有重大的发展努力，但推动 UWB 的边界超越了能源消耗的挑战。imec 的研究人员正在研究该技术如何在保持低功耗的同时支持极高比特率的应用。

图 3中所示的芯片采用 28 nm CMOS 制造，表面积为 0.155 mm²，可为体内和短程应用提供高达 1.66 Gb/s 的数据传输速率。这比使用当前 IEEE 802.15.4z 标准的速度快 50 倍以上。尽管有这些创纪录的比特率，发射器的功耗仍低于 10 mW。我们认为 5.8 pJ/b 的能效至少比 Wi-Fi 提高了一个数量级。

图3.节能型高数据速率 IR-UWB 发射器。

该芯片使用基于全数字锁相环 (ADPLL) 和数字控制功率放大器的复杂调制方案来实现报告的数据传输速率。该架构使用高能效、低抖动的环形振荡器和低功耗极性发射器，以尽可能小的尺寸实现这些混合脉冲调制方案。图 3，最初发表于IEEE 固态电路杂志，显示了所提出的低功率基于极化的 IR-UWB Tx 能够执行 3D 混合脉冲调制以支持更高的数据速率。振幅和相位调制可以由极性架构独立执行。与之前提出的无载波拓扑不同，所提出的 Tx 独立于载波相位调制脉冲延迟。

脉冲波形由数字控制 PA (DPA) 和脉冲整形器 (PS) 整形，后者使用八个延迟单元在 RF 域中执行 FIR 滤波。每个延迟单元的输出启用八个 PA 单元。脉冲的形状和宽度可以通过 PS 输出的延迟进行调整。采用基于注入锁定环的数字控制振荡器 (DCO) 为 8-PSK 调制方案的八个相位在宽频率范围内提供低抖动信号。7 位、238 Msym/s 数字数据流在与 476 MHz 系统时钟 (SYS_CLK) 同步后分配到 PAM、PSK 和 PPM 调制路径。具有 32 个单元单元的数字 PA 最多支持 4-PAM。8-PSK 调制是通过使用相位选择器 (PHMUX) 从 ILRO 选择八个相位之一产生的。

图 3 所示架构的应用是下一代智能眼镜，可实现身临其境的增强现实 (AR) 和虚拟现实 (VR) 体验。神经科学研究也可以受益于用于皮质内传感目的的高比特率和小型化无线遥测模块。在每一种情况下，UWB 都可能成为 Wi-Fi 的有力竞争技术，因为 Wi-Fi 实施通常涉及占用空间更大的更复杂的系统。

虽然需要进一步的研究和标准化工作才能使 UWB 技术走向成熟，但初步结果的可喜成果证明 UWB 可以支持范围广泛的新应用，这些应用结合了对短距离高数据传输率、极低能耗和外形小巧。UWB 技术已证明其支持大众市场安全测距和本地化部署的能力，这对于关注 UWB 潜力的商业公司来说是一个重要的收获。IEEE 目前正在进行的标准化工作以及支持性监管、互操作性和认证讨论将在很大程度上决定 UWB 技术的未来发展方向。

imec 恰恰处于这两种努力的十字路口。imec 与工业合作伙伴合作，将我们研究团队取得的技术突破商业化。他们还是 IEEE、CCC 和 ETSI/FCC 等标准化机构和行业联盟的积极参与者，以帮助塑造当前和未来的 UWB 应用。