UWB的下一步，與WiFi全方位競爭

來(lái)源：內容由半導體行業(yè)觀(guān)察 

編譯自imec 

市場(chǎng)研究公司 Data Bridge 認識到該技術(shù)的增長(cháng)潛力，并預計 UWB 的全球市場(chǎng)價(jià)值將從 2021 年的 11.6 億美元增加到 2029 年的 18.4 億美元。ABI Research 證實(shí)了這一趨勢，該公司認為 UWB 技術(shù)在智能手機等應用中的年度設備出貨量、車(chē)輛和物聯(lián)網(wǎng)設備到 2026 年將達到 15 億，高于 2022 年的 5 億。這一發(fā)展與新 UWB 應用的激增齊頭并進(jìn)，這些應用將傳感需求與低能耗、高抗干擾能力和高比特率。

IEEE 802.15.4Z和強大的行業(yè)支持推動(dòng)UWB成為主流

今天的脈沖無(wú)線(xiàn)電 (IR) UWB 系統在測距精度方面大大優(yōu)于窄帶無(wú)線(xiàn)電。作為 2020 年 8 月采用 IEEE 802.15.4z 修正案的一部分，UWB 物理層的增強功能有助于實(shí)現該技術(shù)的安全測距功能。精細測距 (FiRa：fine-ranging) 和汽車(chē)連接 (CCC：car connectivity consortiums) 聯(lián)盟等工業(yè)生態(tài)系統已經(jīng)在汽車(chē)、智能工業(yè)、智能家居和智能建筑市場(chǎng)中標準化了支持 UWB 的用例。

雖然 UWB 系統具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢并且其采用率正在增長(cháng)，但這些系統確實(shí)存在挑戰。UWB 使用更昂貴的電路，系統也更復雜。系統的寬帶性能還導致比藍牙等窄帶技術(shù)更高的功耗。這些挑戰危及電池供電 UWB 應用的長(cháng)期運行，并阻礙了該技術(shù)的更廣泛采用。

一項突破：低于 5 兆瓦的 IEEE 802.15.4Z 超寬帶****芯片

為了應對功耗挑戰，imec 在 2021 ISSCC 會(huì )議上推出了一款低于 5 mW、IEEE 802.15.4z 寬帶****芯片。該****芯片的功率預算比當時(shí)最先進(jìn)的 UWB 低 10 倍。該芯片采用 28 nm CMOS 工藝制造，占用的核心面積僅為 0.15 mm2，旨在支持具有成本效益的小型 UWB 部署。它在符合標準的操作中具有 4.9 mW 的功耗，同時(shí)遵守 UWB 嚴格的光譜****規定。

該芯片利用圖 1中所示的數字極性****架構來(lái)顯著(zhù)降低 IC 的功耗。這種架構不同于傳統的 IR-UWB ****，后者通常使用 IQ 混頻器將基帶脈沖整形濾波器的輸出上變頻至射頻頻率，然后在傳輸前由線(xiàn)性功率放大器 (PA) 放大。這種傳統方法會(huì )導致更高的功耗，這會(huì )限制電池壽命，從而限制 IR-UWB 應用。

圖1. 兼容 IR-UWB IEEE 802.15.4z 的相干異步極性****。

極化****機（polar transmitter）可以采用效率更高的非線(xiàn)性 PA。然而，笛卡爾坐標到極坐標的變換導致帶寬擴展，這可能導致數字 PA (DPA) 時(shí)鐘速率可能比芯片速率高 4 到 10 倍。這導致整個(gè)系統的高功耗。

在對IEEE 固態(tài)電路雜志的貢獻中，imec 提出了一種采用脈沖整形器的異步極性****，該脈沖整形器由有限脈沖響應 (FIR) 濾波器組成，該濾波器采用基于電流匱乏的逆變器的延遲抽頭，從而產(chǎn)生良好的功率/性能權衡。此外，注入鎖定環(huán)形振蕩器 (ILRO) 技術(shù)通過(guò)在數據包內的 IR-UWB ****信號突發(fā)之間實(shí)現快速工作循環(huán)，實(shí)現了更大的節能效果。這允許****的部分在脈沖之間關(guān)閉。建議的****與 IEEE 802.15.4z 標準兼容，支持相干操作，同時(shí)降低功耗標準。IR-UWB ****芯片還符合嚴格的頻譜規定，這些規定規定了 UWB ****可以****的頻率，以避免干擾其他無(wú)線(xiàn)服務(wù)。該芯片的異步脈沖整形設計符合全球范圍內的頻譜****法規，同時(shí)允許****在接近最大功率頻譜密度 (PSD) 的條件下運行。

支持下一代 UWB 應用的 IR-UWB 802.15.4Z 收發(fā)器

支持 UWB 的日益普及需要的不僅僅是低功率****。業(yè)界需要優(yōu)化的 UWB 收發(fā)器，其中包括高性能測距、測向和定位算法。imec 的研究人員在 ESSCIRC 2022 的一篇論文中解決了這些問(wèn)題。在這篇論文中，研究人員展示了一種超低功耗的 IR-UWB 802.15.4z 收發(fā)器，它在經(jīng)濟高效的硅布局、低能耗和精確定位之間取得了平衡測量。

imec所提出的設計在 28 nm CMOS 中實(shí)現，占用面積為 1.06 mm 2。該芯片的功耗降低源于高度優(yōu)化、低功耗和抗干擾的接收器 (Rx) 架構以及創(chuàng )新的數字極化****架構。分布式兩級數字 PLL 可進(jìn)一步降低芯片的功耗，并有助于縮短定位測量時(shí)間。

圖2.3 至 10 GHz IR-UWB 802.15.4a/z 1T3R 收發(fā)器。

收發(fā)器的系統架構如圖2所示。它包含一個(gè)系統時(shí)鐘發(fā)生器、一個(gè)高能效極性**** (Tx) 和三個(gè)帶有獨立 PLL 的 Rx。Rx 由兩級低噪聲跨導放大器、無(wú)源混頻器、TIA（跨阻放大器）、低通濾波器和模數轉換器 (ADC) 組成。Rx 中的所有放大器均由基于單元逆變器的 gm 單元組成，該單元由自偏置電流調節器調節。該 ADC 是一個(gè) 2 GSps 6 位 2x 時(shí)間交錯 (TI：time-interleaved) ADC，它是 TI （time-interleaved）復雜性和切片采樣率之間的折衷。該收發(fā)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，同時(shí)實(shí)現- 33 dBm 帶外 (OOB) 阻塞容限（ blocker tolerance）。

UWB 的下一件大事？

在超寬帶技術(shù)不斷完善的同時(shí)，業(yè)界正在探索幾種新 UWB 應用的可行性，超越 FiRa 和 CCC 聯(lián)盟所追求的典型安全和精細范圍應用。該技術(shù)的大帶寬使得構建 UWB 雷達系統成為可能，該系統可以比窄帶技術(shù)以更高的分辨率和細節提取信息。憑借短射頻脈沖特性，該技術(shù)可用于存在檢測系統，它可以檢測呼吸模式或人的心跳。人們一直在努力創(chuàng )建具有成本效益的 UWB 片上雷達系統，該系統具有高能效和指甲蓋大小。

該技術(shù)可能成為汽車(chē)應用的推動(dòng)者。高端車(chē)輛已經(jīng)包含用于安全無(wú)鑰匙進(jìn)入的 UWB 錨點(diǎn)。汽車(chē)制造商沒(méi)有添加額外的毫米波雷達傳感器，而是探索利用已安裝的 UWB 傳感器進(jìn)行被動(dòng)存在檢測應用的可能性。其中一些應用包括檢測兒童或寵物是否無(wú)人看管在車(chē)內或監測駕駛員的身體參數。除了節省組件和安裝成本外，UWB 雷達傳感器的功耗由于其較低的載波頻率而顯著(zhù)降低。汽車(chē)制造商正在積極研究為他們的車(chē)輛配備兒童檢測系統。從 2023 車(chē)型年開(kāi)始，

提高 UWB 技術(shù)的數據速率

增加 UWB 應用中的電池壽命是未來(lái)采用該技術(shù)的重要推動(dòng)因素。在這一領(lǐng)域有重大的發(fā)展努力，但推動(dòng) UWB 的邊界超越了能源消耗的挑戰。imec 的研究人員正在研究該技術(shù)如何在保持低功耗的同時(shí)支持極高比特率的應用。

圖 3中所示的芯片采用 28 nm CMOS 制造，表面積為 0.155 mm2，可為體內和短程應用提供高達 1.66 Gb/s 的數據傳輸速率。這比使用當前 IEEE 802.15.4z 標準的速度快 50 倍以上。盡管有這些創(chuàng )紀錄的比特率，****的功耗仍低于 10 mW。我們認為 5.8 pJ/b 的能效至少比 Wi-Fi 提高了一個(gè)數量級。

圖3.節能型高數據速率 IR-UWB ****。

該芯片使用基于全數字鎖相環(huán) (ADPLL) 和數字控制功率放大器的復雜調制方案來(lái)實(shí)現報告的數據傳輸速率。該架構使用高能效、低抖動(dòng)的環(huán)形振蕩器和低功耗極性****，以盡可能小的尺寸實(shí)現這些混合脈沖調制方案。圖 3，最初發(fā)表于IEEE 固態(tài)電路雜志，顯示了所提出的低功率基于極化的 IR-UWB Tx 能夠執行 3D 混合脈沖調制以支持更高的數據速率。振幅和相位調制可以由極性架構獨立執行。與之前提出的無(wú)載波拓撲不同，所提出的 Tx 獨立于載波相位調制脈沖延遲。

脈沖波形由數字控制 PA (DPA) 和脈沖整形器 (PS) 整形，后者使用八個(gè)延遲單元在 RF 域中執行 FIR 濾波。每個(gè)延遲單元的輸出啟用八個(gè) PA 單元。脈沖的形狀和寬度可以通過(guò) PS 輸出的延遲進(jìn)行調整。采用基于注入鎖定環(huán)的數字控制振蕩器 (DCO) 為 8-PSK 調制方案的八個(gè)相位在寬頻率范圍內提供低抖動(dòng)信號。7 位、238 Msym/s 數字數據流在與 476 MHz 系統時(shí)鐘 (SYS_CLK) 同步后分配到 PAM、PSK 和 PPM 調制路徑。具有 32 個(gè)單元單元的數字 PA 最多支持 4-PAM。8-PSK 調制是通過(guò)使用相位選擇器 (PHMUX) 從 ILRO 選擇八個(gè)相位之一產(chǎn)生的。

圖 3 所示架構的應用是下一代智能眼鏡，可實(shí)現身臨其境的增強現實(shí) (AR) 和虛擬現實(shí) (VR) 體驗。神經(jīng)科學(xué)研究也可以受益于用于皮質(zhì)內傳感目的的高比特率和小型化無(wú)線(xiàn)遙測模塊。在每一種情況下，UWB 都可能成為 Wi-Fi 的有力競爭技術(shù)，因為 Wi-Fi 實(shí)施通常涉及占用空間更大的更復雜的系統。

結論：UWB 已準備好支持大眾市場(chǎng)部署

雖然需要進(jìn)一步的研究和標準化工作才能使 UWB 技術(shù)走向成熟，但初步結果的可喜成果證明 UWB 可以支持范圍廣泛的新應用，這些應用結合了對短距離高數據傳輸率、極低能耗和外形小巧。UWB 技術(shù)已證明其支持大眾市場(chǎng)安全測距和本地化部署的能力，這對于關(guān)注 UWB 潛力的商業(yè)公司來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的收獲。IEEE 目前正在進(jìn)行的標準化工作以及支持性監管、互操作性和認證討論將在很大程度上決定 UWB 技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向。

imec 恰恰處于這兩種努力的十字路口。imec 與工業(yè)合作伙伴合作，將我們研究團隊取得的技術(shù)突破商業(yè)化。他們還是 IEEE、CCC 和 ETSI/FCC 等標準化機構和行業(yè)聯(lián)盟的積極參與者，以幫助塑造當前和未來(lái)的 UWB 應用。