万物智联，就在今天——UWB双模系统级芯片问世

2023年，科技爆发的春天

2023年的这个春天，显得格外温暖。这种温暖不仅是气候意义上，大部地区气温较常年同期偏高，更体现在一场接一场的科技浪潮上。春节档国产科幻电影《流浪地球2》席卷40亿票房，以550系列量子计算机和“数字生命”技术共同构建的人工智能场景，给观众留下了深刻印象。意想不到的是，刚走出电影院，扑面而来的一个接一个重量级科技成果，竟然大有让科幻成为现实的意思——OPENAI研发的人工智能大语言模型GPT，年初刚推出3.5版本的应用程序，紧接着又发布了4.0版本，对人类自然语言的理解能力与反馈能力令人惊叹，以后我们将真的无法判断跟自己对话的到底是不是人了。横亘在人工智能发展路上大半个世纪的“图灵测试”难关，就这样被轻易攻克。日本理化学研究所称，日本首台国产量子计算机将可以通过互联网使用，其解决复杂问题的速度能达到传统超级计算机的1亿倍以上。此举将促进企业和大学使用量子计算机，除了预测金融市场之外，还有望应用于化学、制药、汽车等广泛行业，具有为新产品开发等带来革新的潜力。越来越多的人认为，第四次工业革命已经到来。在这场以“智能”为代表的工业革命中，人们早已熟悉的物联网概念，也将起到重要作用：它能实现一切物品之间的互相联通、智能化管理，使得原先孤立、低效的各个低门槛技术行业纷纷整合为一个融合开放的整体，使生产效率指数级增长。在《流浪地球2》中，量子计算机控制各种机械自动建造发动机，就是人工智能+物联网的典型应用。

UWB技术，让万物智联成为可能

随着技术和应用的相互推进，物联网已经演进到“万物智联”的时代。人们的日常生活中有多层次的互联需求，随着人类老龄化的日趋严重和人工智能技术的快速演进，人与物，物与物之间的互联需求也越来越高。这两大类互联需求构成了“万物智联”的最大驱动力。用什么方式实现万物智联，是打造物联网的核心问题。从技术角度而言，高速通信，高精度定位和高分辨力感知是万物智联的底层核心技术。在这个领域，科研工作者进行过种种尝试，掌握了很多不同类型的连接技术，包括大众所熟悉的蓝牙、红外、WIFI等。近年来，超宽带（Ultra-Wideband，简称UWB）技术以其在精度、安全性、传输距离等方面的综合优势，逐渐得到专业人士和市场的认可，应用范围不断扩大。

制表：国际电子商情网

UWB技术始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术，是一种使用1GHz以上频率带宽的无线载波通信技术。它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很大，数据传输速率可以达到几百兆比特每秒以上。UWB技术由于其独特的大带宽特性，能同时实现高速通信（速率31Mbps或更高），高精度定位（精度10厘米或更高），和高分辨力感知（分辨力1厘米或更高）。自从苹果在2019年将UWB集成在iPhone中以来，UWB技术和应用进入了快速发展时期，UWB芯片需求同步快速增长，业界预测2027年UWB芯片的需求量将超过12亿颗。

数据来源：Techno Systems Research

刚结束的卡塔尔世界杯上，裁判对于越位、出界、门线的判罚精准得令人惊奇，之前历届大赛上经常出现的相关判罚争议几乎完全消失，原因就是官方用球中植入了应用UWB技术的芯片。这颗重量仅14克的芯片由一家名为KINEXON的德国物联网公司提供，每秒500次自动提供准确的足球相关信息，如足球的初始速度、运行速度、运动角度等，使比赛裁判和官员能够快速查看现场数据，以支持快速准确的判罚。2002年，美国联邦通信委员会(FCC)公布了UWB技术的初步规范，正式解除其在民用领域的限制，开始走向商业化。在UWB技术的支持下，“万物智联”的很多应用场景都具备了可能性，如出行领域的智能汽车、智能停车、公共交通闸机，家居领域的智能家居、智能门锁、健康检测，企业运营领域的室内定位、资产设备管理、人员安全保障等。近年来，一批国内企业在UWB芯片研发上屡次收获重要成果，使得中国在这一领域逐渐赶超国际先进水平。2021年底，长沙驰芯半导体科技有限公司推出国内首款具备商用能力的 UWB 芯片“CX300”，它支持802.15.4z最新的标准，具有各种低功耗模式、支持多天线方案、支持FIRA/CCC规范、定位精度在视距情况下能够达到5厘米，测角精度达到3度。2022年6月，深圳捷扬微电子有限公司发布的GT1000系统级UWB芯片成功通过了FiRa联盟的认证，这也是中国首家、全球首批通过FiRa联盟认证的芯片公司。GT1000接收功耗的峰值仅为71mW，发射功耗的峰值仅为37mW，以每Mbps计算的功耗已经处于和低功耗蓝牙相当甚至更低的水平。2022年9月，深圳市纽瑞芯科技有限公司发布其“大熊座”系列多款UWB芯片，据称采样速率达到了4GHz，超过欧美主流UWB芯片的1GHz速率，从而在不使用业界常用的卡尔曼滤波的情况下就能把定位精度提升到1厘米级别（卡塔尔世界杯用球的定位精度是10厘米级）。进入2023年，中国企业在UWB领域再次取得突破性进展：深圳芯邦科技股份有限公司推出UWB+BLE双模SOC芯片，填补了相关行业空白，赋能国内智能手机终端行业、智能家居行业、汽车上下游等应用市场降低风险及生产成本，助力万物智联再升级，也为2023年这个“科技之春”增添了更多春意。        

攻克双模合一难关，UWB脱胎换骨

UWB技术能同时实现高速通信、高精度定位、和高分辨力感知、但由于“万物智联“应用场景的多样化，它仍然需要和其他相关技术配合才能满足各种不同场景的技术诉求：比如需要WIFI提供小范围（家庭和办公室等）高速通信，需要蜂窝提供大范围（市区，郊区，野外等广域）通信，需要GNSS提供室外高精度定位，需要BLE提供相对远距离（几米到10几米）通信、网络接入和初始定位。在大多数应用场景中，互补性最强的是BLE技术：通过把BLE技术与UWB技术的结合，不但可以降低UWB产品和应用的整体功耗，降低生产成本，而且利用BLE芯片每年近50亿颗的出货量能使UWB技术和产品快速渗透市场，从而通过BLE实现初略定位和网络接入，结合UWB实现精准定位和空间感知，打造真正联结一切的”万物智联“网络。但UWB+BLE双模融合系统级芯片的设计历来是个难点。硬件方面，大带宽、低功耗、低成本射频前端电路包括低噪声放大器（Low Noise Amplifier，简称LNA）、数字射频功率放大器（Digital Power Amplifier，简称DPA）、全数字锁相环（All Digital Phase Locked Loop，简称ADPLL）等射频芯片关键电路都具有相当的技术和量产难度；软件方面，数字辅助射频模拟校准算法（如频率校准、功率校准、带宽校准、匹配校准、线性度校准等）也属于前沿研究课题；此外，如何配合优化的上下电时序和状态机实现SOC低功耗优化设计，以及多系统共存时彼此之间的影响和干扰如何排除，都是不容易解决的问题。所以尽管业界很多人一直都坚信UWB+BLE双模融合是正确的发展方向，但真正的应用级芯片却迟迟没能研发出来。当前市场上的UWB+BLE芯片产品基本上是两颗独立的芯片，只能在模组层面实现双模集成，严格来说并不是真正的双模融合在这样的背景下，芯邦今年推出的UWB+BLE双模SOC芯片，对于UWB技术在各行业的落地发展，有着非同寻常的意义——它是第一款真正芯片层面（同一颗DIE）集成的UWB+BLE双模芯片，无论是准确率、功耗还是稳定性，都比之前只能在模组层面集成的产品有了质的提升。有了这块业界“千呼万唤始出来”的芯片，很多畅想已久的应用场景终于从想象走向现实，尤其是汽车、家居行业，都可能迎来新一轮的智能化升级。例如：在原有蓝牙和NFC基础上，融合了UWB技术的智能汽车数字钥匙3.0，可以实现智能手机和汽车之间精确和安全的实时本地化，让汽车决定下一步行动，是打开迎宾灯还是根据您的位置调整后视镜和座椅；应用该芯片的智能门锁，可以感应移动设备（如手机）内置的数字家庭钥匙，用户不需要在门锁上输入密码、也不要打开手机应用，只要手机接近门锁时，就会自动开锁。

未来已来，以智能为世界无限赋能

这些只不过是UWB+BLE双模SOC芯片最基础、最快触达的应用场景，事实上这项技术还有着更大的发挥空间。正如chat-GPT大火后，普通人只看到用它搜索问题时效率提高，或者是用来自动生成一些简单文档，但在研究者眼中，GPT技术有着无限可能，这也是为什么很多人欢呼第四次工业革命到来。而UWB技术也有着相似的特点，在踏出双模融合这关键性的一步之后，它在未来同样有着无限可能，可以满足人们的诸多想象。正如纽瑞芯创始人陈振骐所言，“或许未来UWB技术会成为智能手机、智能汽车及各种物联网设备的标配技术。”

而且UWB和GPT之间，其实有着很强的关联性。当UWB技术的不断发展，让世界真正实现“智联万物”时，也会为GPT的工业应用和行业应用提供更多机会。利用物联网将物理设备和传感器连接起来，工业和行业可以实现更大规模和更高效的数据收集和分析。这将使得GPT更容易应用于工业和行业中的自动化和数据驱动的决策过程中，实现从感知、互联到智能决策的闭环，缔造出空前繁荣的科技盛世。就目前的发展速度来看，那一天已经不会太远。