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UWB的未来：结合了低能耗和高速率的传感

Christian Bachmann and Minyoung Song, imec, Leuven, Belgium

在越来越多的无线通信选择中，如Wi-Fi、蓝牙和NFC，越来越多的应用正在使用超宽带（UWB）技术的安全和精细的能力来施展它们的魔法。这种魔力正在促成许多应用。无感入口解决方案利用UWB的能力来跟踪接近的人，该技术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利用了UWB的力量，特别是在难以获得GPS信号的室内。使用案例包括在仓库、医院或工厂中以厘米级的精度定位资产，并帮助人们在机场和购物中心等大空间中导航。

市场研究公司Data Bridge认识到了该技术的增长潜力，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。¹ ABI Research证实了这一趋势，它认为UWB技术在智能手机、汽车和物联网设备等应用中的年出货量到2026年将达到15亿，而2022年为5亿。² 这是一个与新的UWB应用激增同时进行的演变，这些应用将传感需求与低能耗、高抗干扰性和高比特率相结合。

IEE 802.15.4Z和强大的行业支持推动UWB成为主流

今天的脉冲无线电（IR）UWB系统在测距精度方面大大超过了窄带无线电。作为2020年8月通过的IEEE 802.15.4z修正案的一部分，对UWB物理层的增强在实现该技术的安全测距能力方面发挥了作用。工业生态系统，如微距（FiRa）和汽车连接（CCC）联盟，已经在汽车、智能工业、智能家居和智能建筑市场上实现了UWB的标准化使用案例。

虽然UWB系统有明显的技术优势，其采用率也在增长，但这些系统确实存在挑战。UWB使用更昂贵的电路、系统更复杂。系统的宽带性能也导致了比蓝牙等窄带技术更高的功耗。这些挑战危及电池供电的UWB应用的长期运行，阻碍了该技术的更广泛采用。

突破：低于5mW的IEEE 802.15.4Z超宽频发射器芯片

为了应对功耗挑战，imec在2021年的ISSCC会议上推出了一款低于5mW的IEEE 802.15.4z宽带发射器芯片。该发射器芯片的特点是功率预算比当时的UWB最先进水平低10倍。该芯片在28纳米CMOS中制造，占用的核心区域只有0.15mm²，该芯片支持高效益的小尺寸UWB部署。在符合标准的操作中，它的功耗为4.9mW，同时遵守UWB严格的频谱发射规定。

该芯片利用图1所示的数字极子发射器结构，大大降低了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转换为射频频率，然后在传输前由线性功率放大器（PA）进行放大。这种传统方法导致较高的功耗，限制了电池的使用寿命，限制了IR-UWB的应用。

图1 一个兼容IR-UWB IEEE 802.15.4z的相干异步极子发射器。

极子发射器可以采用效率更高的非线性PA。然而，直角坐标到极坐标的转换导致带宽扩大，这可能导致数字功率放大器（DPA）的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。

在提交给《IEEE Journal of Solid-State Circuits》的一篇文章中，imec提出了一个采用脉冲整形器的异步极子发射器，该脉冲整形器由一个有限脉冲响应（FIR）滤波器组成，采用基于电流抑制的逆变器延迟抽头（tap），从而实现了良好的功率/性能权衡。³ 此外，注入锁定环形振荡器（ILRO）技术通过在一个数据包内的IR-UWB发射器的信号突发之间实现快速负载循环，实现了更大的功率节省。这允许发射器的某些部分在脉冲之间被关闭。拟议的发射器与IEEE 802.15.4z标准兼容，支持相干操作，同时降低了功耗的标准。IR-UWB发射器芯片还符合严格的频谱规定，规定了UWB发射器可以发射的频率，以避免对其他无线服务的干扰。该芯片的异步脉冲整形设计符合世界范围内的频谱发射法规，同时允许发射器在接近最大功率谱密度（PSD）的情况下运行。

一个支持下一代UWB应用的IR-UWB 802.15.4Z收发器

支持日益增长的UWB应用需要的不仅仅是一个低功率的发射器。该行业需要一个优化的UWB收发器，包括高性能的测距、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。⁴ 在这篇论文中，研究人员提出了一个非常低功率的IR-UWB 802.15.4z收发器，在高效益的硅布局、低能耗和准确的定位测量之间取得了平衡。

所提出的设计是在28纳米CMOS中实现的，占地1.06mm²。该芯片的低功耗来自于一个高度优化的、低功耗和抗干扰的接收器（Rx）结构，以及一个创新的数字极子发射器结构。一个分布式的两级数字PLL可以进一步降低芯片的功耗，并有助于缩短定位的测量时间。

该收发器的系统结构如图2所示。它包含一个系统时钟发生器，以及一个节能的极子发射器（Tx）和三个自带PLL的Rx。Rx由一个两级低噪声跨导放大器、无源混频器、TIA（跨阻放大器）、低通滤波器和模拟数字转换器（ADC）组成。Rx中的所有放大器由基于单元逆变器的gm单元组成，由自偏置电流调节器调节。ADC是一个2GSps的6位2倍时间交错（TI）的ADC，它是TI复杂性和切片采样率之间的权衡。该收发器在Tx模式下消耗8.9mW，在Rx模式下每通道消耗21.5mW，同时实现了-33dBm的带外（OOB）阻断器容忍度。

图2 一个3到10GHz的IR-UWB 802.15.4a/z 1T3R收发器。

UWB的下一个大事件？

在超宽带技术不断完善的同时，除了FiRa和CCC联盟正在追求的典型安全和精细测距应用外，业界正在探索几种新的UWB应用的可行性。该技术的大带宽使其有可能建立UWB雷达系统，以比窄带技术更大的分辨率和细节提取信息。凭借短射频脉冲的特性，该技术可以在存在检测系统中发挥作用，它可以检测呼吸模式或一个人的心跳。目前正在努力创建具有高效益的UWB片上雷达系统，该系统具有高能源效率，并且只有指甲盖大小。

这项技术可以成为汽车应用的一个推动因素。高端汽车已经包含用于安全无钥匙进入的UWB锚。汽车制造商没有增加额外的毫米波雷达传感器，而是在探索利用已安装的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被留在车内，或监测司机的身体参数。除了节省元件和安装成本外，由于UWB雷达传感器的载波频率较低，其功耗也大大降低。汽车制造商正在积极研究为其车辆配备儿童探测系统。从2023年开始，只有具备这种功能的车辆才能获得最高的欧洲NCAP（新车评估计划）安全评级。

提高UWB技术的数据速率

增加UWB应用中的电池寿命是未来采用该技术的一个重要推动因素。在这一领域有大量的开发工作，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所示的芯片采用28纳米CMOS制造，表面积为0.155mm²，可为体内和短程应用提供高达1.66Gb/s的数据传输率。这比使用目前的IEEE 802.15.4z标准所能达到的速度快50倍以上。尽管有这些创纪录的比特率，该发射器的功耗却低于10毫瓦。我们相信，5.8pJ/b的能源效率至少比Wi-Fi提高了一个数量级。

图3 一个节能的高数据率IR-UWB发射器。

该芯片使用复杂的调制方案，建立在全数字锁相环（ADPLL）和数字控制的功率放大器上，以实现报告的数据传输率。该架构使用一个高能效、低抖动的环形振荡器与一个低功耗的极子发射器相结合，在尽可能小的空间内实现这些混合脉冲调制方案。最初发表在《IEEE Journal of Solid-State Circuits》上的图3显示了拟议的基于极子的低功耗IR-UWB Tx，它能够进行三维混合脉冲调制，以支持更高的数据速率。振幅和相位调制可由极子架构独立完成。与以前提出的无载波拓扑结构不同，拟议的Tx对脉冲延迟的调制独立于载波相位。

脉冲波形由数字控制的PA（DPA）和一个脉冲整形器（PS）来塑造，该整形器使用八个延迟单元在射频域进行FIR滤波。每个延迟单元的输出使8个PA单元得以实现。脉冲的形状和宽度可以通过PS输出的延迟来调整。一个基于注入锁定的环形数字控制振荡器（DCO）被用来为8-PSK调制方案的八个阶段提供宽频率范围内的低抖动信号。在与476MHz系统时钟（SYS_CLK）同步后，一个7位、238Msym/s的数字数据流被分配到PAM、PSK和PPM调制路径。带有32个单元的数字PA最多支持4-PAM。8-PSK调制的结果是通过使用相位选择器（PHMUX）从ILRO的八个相位中选择一个。

图3所示架构的一个应用是下一代智能眼镜，以实现沉浸式增强现实（AR）和虚拟现实（VR）体验。神经科学研究也可以从高比特率和小型化的无线遥测模块中受益，用于皮层内传感。在上述每一种情况下，UWB都可能成为Wi-Fi的强大竞争对手，因为Wi-Fi的实施通常涉及更复杂的系统，占地面积更大。

结论：UWB已经准备好支持大规模部署

虽然需要进一步的研究和标准化工作来使UWB技术走向成熟，但初步的可喜成果证明，UWB可以支持广泛的新应用，这些应用结合了短距离、高数据传输率、极低能耗和小尺寸的需求。UWB技术已经证明了它有能力支持大众市场的安全测距和定位，这对关注UWB潜力的商业公司来说是一个重要的信号。目前正在IEEE内部进行的标准化工作，以及支持监管、互操作性和认证的讨论，将在很大程度上决定UWB技术的未来发展方向。

参考文献

1. Data Bridge Market Research, Global Ultra-Wideband (UWB) Market – Industry Trends and Forecast to 2029,” April 2022, Web: https://www.databridgemarketresearch.com/reports/global-ultra-wideband-uwb-market#:~:text=Data%20Bridge%20Market%20Research%20analyses,5.90%25%20during%20the%20forecast%20period.
2. ABI Research, “ABI Research’s 2022 Trend Report identifies the one key location technologies market trend that will deliver in 2022—and the one that won’t,” January 2022, Web: https://www.abiresearch.com/press/2022-will-see-uwb-in-rtls-applications-reach-500-million-shipments/.
3. G. Singh, E. Allebes, Y. He, E. Tiurin, P. Mateman, J. F. Dijkhuis, G.-J. van Schaik, E. Bechthum, J. van den Heuve, M. El Soussi, A. Breeschoten, H. Korpela, G.-J. Gordebeke, S. Lemey, C. Bachmann and Y.-H. Liu, “An IR-UWB IEEE 802.15.4z Compatible Coherent Asynchronous Polar Transmitter in 28-nm CMOS,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2021.
4. E. Bechthu, M. Song, G. Singh, E. Allebes, C. Basetas, P. Boer, A. Breeschoten, S. Cloudt, J. Dijkhuis, M. Ding, S. Gatchalian, Y. He, J. van den Heuvel, M. Hijdra, P. Mateman, B. Meyer, G.-J.van Schaik, M. El Soussi, B. Thijssen, S. Traferro, E. Turin, P. Vis, N. Winkel, P. Zhang, Y-H Liu and C. Bachmann, “A 3-10 GHz 21.5mW/Channel RX and 8.9mW TX IR-UWB 802.15.4a/z 1T3R Transceiver, IEEE 48th European Solid State Circuits Conference (ESSCIRC),” 2022.
5. K. Ramaiah, “In-cabin Radar Can Sense Children in Second- and Third-row Vehicles,” Electronic Products, January 2022, Web: https://www.electronicproducts.com/in-cabin-radar-can-sense-children-in-second-and-third-row-vehicles/.
6. M. Song, Y. Huang, H. J. Visser, J. Romme and Y.-H. Liu, “An Energy-Efficient and High-Data-Rate IR-UWB Transmitter for Intracortical Neural Sensing Interfaces,” IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2022.