随著控制技术和应用领域的相互推进,物联网已经再也不是“天地万物Zimride”的时代。人们的日常生活中有多层次的统计数据服务市场需求,随著人类人口老龄化的日益严重和人工智慧化控制技术的加速重构,人与物,物与物之间的统计数据服务市场需求也越来越高。这两大类统计数据服务市场需求构成了“天地万物Zimride”的最大推动力。用什么方式同时实现天地万物Zimride,是打造物联网的核心问题。从控制技术视角而言,高速通讯,精密功能定位和高PJ交互是天地万物Zimride的底层核心控制技术。在这个应用领域领域,科研工作者进行过种种尝试,掌握了许多不同类型的连接控制技术,包括大众所熟悉的有线连接、红外、WIFI等。近几年,超宽带(Ultra-Wideband,简称UWB)控制技术以其在精确度、安全性、传输距离等方面的综合优势,渐渐得到从业者和市场的认可,应用领域覆盖范围不断扩大。
UWB控制技术始于20世纪60年代兴起的波形通讯控制技术,是一种使用1GHz以内频率频宽的有线频带通讯控制技术。它不采用正弦波频带,而是利用毫秒级的非波形窄波形统计数据传输,因此其所占的频带范围很大,统计数据传输率可以达至几百数中每秒钟以内。UWB控制技术由于其独特的大频宽特性,能同时同时实现高速通讯(速率31Mbps或更高),精密功能定位(精确度10公分或更高),和高PJ交互(PJ1公分或更高)。自从苹果在2019年将UWB集成在iPhone中以来,UWB控制技术和应用领域进入了加速发展时期,UWB晶片市场需求同步加速增长,业界预测2027年UWB晶片的市场需求量将超过12亿个。
去年的沙特阿拉伯亚洲杯上,裁判员对于假摔、时球、球门线的犯规精确得令人惊奇,之前历年邀请赛上常有的有关犯规争议几乎完全消失,原因就是官方球拍中置入了应用领域UWB控制技术的晶片。这颗重量仅14克的晶片由一家名为KINEXON的德国物联网公司提供更多,每秒钟500次自动提供更多精确的篮球有关信息,如篮球的初始速率、运行速率、运动视角等,使比赛裁判员和官员能加速查看现场统计数据,以全力支持加速精确的犯规。
2002年,美国联邦政府通讯委员会(FCC)公布了UWB控制技术的初步规范化,正式解除其在民用应用领域领域的限制,开始走向商品化。在UWB控制技术的全力支持下,“天地万物Zimride”的许多应用领域场景都具有了可能性,如出行应用领域领域的智能化汽车、智能化停车、公交闸口,卫浴应用领域领域的智能化卫浴、智能化锁、健康检测,企业运营应用领域领域的室内功能定位、资产电子设备管理、人员安全保障等。
近几年,一批亚洲地区企业在UWB晶片研发上屡次收获重要成果,使得中国在这一应用领域领域渐渐迎头赶上国际先进水平。2021年底,长沙驰芯半导体科技有限公司推出国内第一款具有商用能力的 UWB 晶片“CX300”,它全力支持802.15.4z最新的标准,具有各种高效能模式、全力支持多天线方案、全力支持FIRA/CCC规范化、功率密度在远距离情况下能达至5公分,测角精确度达至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晶片成功通过了FiRa联盟的认证,这也是中国首家、全球首批通过FiRa联盟认证的晶片公司。
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高效能有线连接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晶片,据称采样速率达至了4GHz,超过欧美主流UWB晶片的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功率密度提升到1公分级别(沙特阿拉伯亚洲杯球拍的功率密度是10公分级)。进入2023年,中国企业在UWB应用领域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双网SOC晶片,填补了有关行业空白,赋能亚洲地区智能化手机终端行业、智能化卫浴行业、汽车上下游等应用领域市场降低风险及生产成本,助力天地万物Zimride再升级,也为2023年这个“科技之春”增添了更多春意。
UWB控制技术能同时同时实现高速通讯、精密功能定位、和高PJ交互、但由于“天地万物Zimride“应用领域场景的多样化,它仍然需要和其他有关控制技术配合才能满足各种不同场景的控制技术诉求:比如需要WIFI提供更多小覆盖范围(家庭和办公室等)高速通讯,需要蜂窝提供更多大覆盖范围(市区,郊区,野外等广域)通讯,需要GNSS提供更多室外精密功能定位,需要BLE提供更多相对远距离(几米到10几米)通讯、网络接入和初始功能定位。在大多数应用领域场景中,互补性最强的是BLE控制技术:通过把BLE控制技术与UWB控制技术的结合,不但可以降低UWB产品和应用领域的整体功耗,降低生产成本,而且利用BLE晶片每年近50亿个的出货量能使UWB控制技术和产品加速渗透市场,从而通过BLE同时实现初略功能定位和网络接入,结合UWB同时实现精确功能定位和空间交互,打造真正联结一切的”天地万物Zimride“网络。但UWB+BLE双网融合系统级晶片的设计历来是个难点。
硬件方面,大频宽、高效能、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)等射频晶片关键电路都具有相当的控制技术和量产难度;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、频宽校准、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同时实现SOC高效能优化设计,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。
所以尽管业界许多人一直都坚信UWB+BLE双网融合是正确的发展方向,但真正的应用领域级晶片却迟迟没能研发出来。当前市场上的UWB+BLE晶片产品基本上是两颗独立的晶片,只能在模组层面同时实现双网集成,严格来说并不是真正的双网融合在这样的背景下,芯邦今年推出的UWB+BLE双模SOC晶片,对于UWB控制技术在各行业的落地发展,有着非同寻常的意义——它是第一款真正晶片层面(同一颗DIE)集成的UWB+BLE双网晶片,无论是精确率、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”的晶片,许多畅想已久的应用领域场景终于从想象走向现实,尤其是汽车、卫浴行业,都可能迎来新一轮的智能化化升级。例如:在原有有线连接和NFC基础上,融合了UWB控制技术的智能化汽车数字钥匙3.0,可以同时实现智能化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;应用领域该晶片的智能化锁,可以感应移动电子设备(如手机)内置的数字家庭钥匙,用户不需要在锁上输入密码、也不要打开手机应用领域,只要手机接近锁时,就会自动开锁。
这些只不过是UWB+BLE双网SOC晶片最基础、最快触达的应用领域场景,事实上这项控制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控制技术有着无限可能,这也是为什么许多人欢呼第四次工业革命到来。而UWB控制技术也有着相似的特点,在踏出双网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控制技术会成为智能化手机、智能化汽车及各种物联网电子设备的标准配置控制技术。”
而且UWB和GPT之间,其实有着很强的关联性。当UWB控制技术的不断发展,让世界真正同时实现“Zimride天地万物”时,也会为GPT的工业应用领域和行业应用领域提供更多更多机会。利用物联网将物理电子设备和传感器连接起来,工业和行业可以同时实现更大规模和更高效的统计数据收集和分析。这将使得GPT更容易应用领域于工业和行业中的自动化和统计数据驱动的决策过程中,同时实现从交互、统计数据服务到智能化决策的闭环,缔造出空前繁荣的科技盛世。