在越來越多的無線通信選項（如 Wi-Fi、藍牙和 NFC）中，越來越多的應用正在使用超寬帶 (UWB) 技術的安全和精確范圍功能來發(fā)揮它們的魔力。這種魔力使許多應用成為可能。免提門禁解決方案利用 UWB 的能力來跟蹤接近的人，該技術同時可用于自動解鎖汽車或建筑物的門。資產(chǎn)跟蹤和基于位置的服務也可以利用 UWB 的能力，特別是在難以獲取或維持穩(wěn)定 GPS 信號的室內(nèi)位置。用例包括以厘米級精度定位倉庫、醫(yī)院或工廠中的資產(chǎn)，以及幫助人們在機場和購物中心等大型空間中導航。

市場研究公司 Data Bridge 認識到該技術的增長潛力，并預計 UWB 的全球市場價值將從 2021 年的 11.6 億美元增加到 2029 年的 18.4 億美元。ABI Research 證實了這一趨勢，該公司認為 UWB 技術在智能手機等應用中的年度設備出貨量、車輛和物聯(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，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UWB成為主流

今天的脈沖無線電 (IR) UWB 系統(tǒng)在測距精度方面大大優(yōu)于窄帶無線電。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現(xiàn)該技術的安全測距功能。精細測距 (FiRa：fine-ranging) 和汽車連接 (CCC：car connectivity consortiums) 聯(lián)盟等工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)在汽車、智能工業(yè)、智能家居和智能建筑市場中標準化了支持 UWB 的用例。

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

一項突破：低于 5 毫瓦的 IEEE 802.15.4Z 超寬帶發(fā)射器芯片

為了應對功耗挑戰(zhàn)，imec 在 2021 ISSCC 會議上推出了一款低于 5 mW、IEEE 802.15.4z 寬帶發(fā)射器芯片。該發(fā)射器芯片的功率預算比當時最先進的 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，同時遵守 UWB 嚴格的光譜發(fā)射規(guī)定。

該芯片利用圖 1中所示的數(shù)字極性發(fā)射器架構來顯著降低 IC 的功耗。這種架構不同于傳統(tǒng)的 IR-UWB 發(fā)射器，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，然后在傳輸前由線性功率放大器 (PA) 放大。這種傳統(tǒng)方法會導致更高的功耗，這會限制電池壽命，從而限制 IR-UWB 應用。

圖1. 兼容 IR-UWB IEEE 802.15.4z 的相干異步極性發(fā)射器。

極化發(fā)射機（polar transmitter）可以采用效率更高的非線性 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(shù)字 PA (DPA) 時鐘速率可能比芯片速率高 4 到 10 倍。這導致整個系統(tǒng)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發(fā)射器，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) 技術通過在數(shù)據(jù)包內(nèi)的 IR-UWB 發(fā)射器信號突發(fā)之間實現(xiàn)快速工作循環(huán)，實現(xiàn)了更大的節(jié)能效果。這允許發(fā)射器的部分在脈沖之間關閉。建議的發(fā)射器與 IEEE 802.15.4z 標準兼容，支持相干操作，同時降低功耗標準。IR-UWB 發(fā)射器芯片還符合嚴格的頻譜規(guī)定，這些規(guī)定規(guī)定了 UWB 發(fā)射器可以發(fā)射的頻率，以避免干擾其他無線服務。該芯片的異步脈沖整形設計符合全球范圍內(nèi)的頻譜發(fā)射法規(guī)，同時允許發(fā)射器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發(fā)射器。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 中實現(xiàn)，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(shù)字極化發(fā)射器架構。分布式兩級數(shù)字 PLL 可進一步降低芯片的功耗，并有助于縮短定位測量時間。

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

收發(fā)器的系統(tǒng)架構如圖2所示。它包含一個系統(tǒng)時鐘發(fā)生器、一個高能效極性發(fā)射器 (Tx) 和三個帶有獨立 PLL 的 Rx。Rx 由兩級低噪聲跨導放大器、無源混頻器、TIA（跨阻放大器）、低通濾波器和模數(shù)轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。該 ADC 是一個 2 GSps 6 位 2x 時間交錯 (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，同時實現(xiàn)- 33 dBm 帶外 (OOB) 阻塞容限（ blocker tolerance）。

UWB 的下一件大事？

在超寬帶技術不斷完善的同時，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。該技術的大帶寬使得構建 UWB 雷達系統(tǒng)成為可能，該系統(tǒng)可以比窄帶技術以更高的分辨率和細節(jié)提取信息。憑借短射頻脈沖特性，該技術可用于存在檢測系統(tǒng)，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(tǒng)，該系統(tǒng)具有高能效和指甲蓋大小。

該技術可能成為汽車應用的推動者。高端車輛已經(jīng)包含用于安全無鑰匙進入的 UWB 錨點。汽車制造商沒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 傳感器進行被動存在檢測應用的可能性。其中一些應用包括檢測兒童或?qū)櫸锸欠駸o人看管在車內(nèi)或監(jiān)測駕駛員的身體參數(shù)。除了節(jié)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降低。汽車制造商正在積極研究為他們的車輛配備兒童檢測系統(tǒng)。從 2023 車型年開始，

提高 UWB 技術的數(shù)據(jù)速率

增加 UWB 應用中的電池壽命是未來采用該技術的重要推動因素。在這一領域有重大的發(fā)展努力，但推動 UWB 的邊界超越了能源消耗的挑戰(zhàn)。imec 的研究人員正在研究該技術如何在保持低功耗的同時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(nèi)和短程應用提供高達 1.66 Gb/s 的數(shù)據(jù)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，發(fā)射器的功耗仍低于 10 mW。我們認為 5.8 pJ/b 的能效至少比 Wi-Fi 提高了一個數(shù)量級。

圖3.節(jié)能型高數(shù)據(jù)速率 IR-UWB 發(fā)射器。

該芯片使用基于全數(shù)字鎖相環(huán) (ADPLL) 和數(shù)字控制功率放大器的復雜調(diào)制方案來實現(xiàn)報告的數(shù)據(jù)傳輸速率。該架構使用高能效、低抖動的環(huán)形振蕩器和低功耗極性發(fā)射器，以盡可能小的尺寸實現(xiàn)這些混合脈沖調(diào)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(zhí)行 3D 混合脈沖調(diào)制以支持更高的數(shù)據(jù)速率。振幅和相位調(diào)制可以由極性架構獨立執(zhí)行。與之前提出的無載波拓撲不同，所提出的 Tx 獨立于載波相位調(diào)制脈沖延遲。

脈沖波形由數(shù)字控制 PA (DPA) 和脈沖整形器 (PS) 整形，后者使用八個延遲單元在 RF 域中執(zhí)行 FIR 濾波。每個延遲單元的輸出啟用八個 PA 單元。脈沖的形狀和寬度可以通過 PS 輸出的延遲進行調(diào)整。采用基于注入鎖定環(huán)的數(shù)字控制振蕩器 (DCO) 為 8-PSK 調(diào)制方案的八個相位在寬頻率范圍內(nèi)提供低抖動信號。7 位、238 Msym/s 數(shù)字數(shù)據(jù)流在與 476 MHz 系統(tǒng)時鐘 (SYS_CLK) 同步后分配到 PAM、PSK 和 PPM 調(diào)制路徑。具有 32 個單元單元的數(shù)字 PA 最多支持 4-PAM。8-PSK 調(diào)制是通過使用相位選擇器 (PHMUX) 從 ILRO 選擇八個相位之一產(chǎn)生的。

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

結(jié)論：UWB 已準備好支持大眾市場部署

雖然需要進一步的研究和標準化工作才能使 UWB 技術走向成熟，但初步結(jié)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(jié)合了對短距離高數(shù)據(jù)傳輸率、極低能耗和外形小巧。UWB 技術已證明其支持大眾市場安全測距和本地化部署的能力，這對于關注 UWB 潛力的商業(yè)公司來說是一個重要的收獲。IEEE 目前正在進行的標準化工作以及支持性監(jiān)管、互操作性和認證討論將在很大程度上決定 UWB 技術的未來發(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的 UWB 應用。

編輯：黃飛

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