UWB厘米級定位技術(shù)在汽車數(shù)字鑰匙中的應(yīng)用與NCJ29D5的量產(chǎn)化燒錄

什么是UWB？

UWB(Ultra Wide Band)，即：超寬帶技術(shù)，它是源于20世紀(jì)60年代興起的一種無線載波通信技術(shù)。一般的通信體制都是利用一個(gè)高頻載波來調(diào)制一個(gè)窄帶信號，通信信號的實(shí)際占用帶寬并不高。而UWB不同于傳統(tǒng)的通信技術(shù)，它通過發(fā)送和接收具有納秒或微秒級以下的極窄脈沖來實(shí)現(xiàn)無線傳輸的。由于脈沖時(shí)間寬度極短，因此其所占的頻譜范圍很寬。

UWB具有高精度、高速率、低功耗、抗干擾等優(yōu)勢。UWB技術(shù)是一種無線通信技術(shù)，其特點(diǎn)是信號帶寬非常寬，頻率范圍覆蓋了從幾百兆赫茲到幾吉赫茲的頻段，可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位和距離測量。

傳統(tǒng)的定位技術(shù)判斷物體的位置是依靠信號的強(qiáng)弱來判斷的，易受到外界干擾。定位的誤差較大，精度不高，而UWB定位采用了寬帶脈沖通訊技術(shù)，有很強(qiáng)的抗干擾能力，使得定位誤差大大降低。它填補(bǔ)了高精度定位領(lǐng)域的空白，精度可達(dá)厘米級。

提到UWB，可能很多人就會(huì)想起蘋果公司的AirTag。

雖然你可能只是在 2019 年蘋果將 UWB 添加到 iPhone 時(shí)才聽說超寬帶，但實(shí)際上，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)存在了幾十年。早在 2002 年，美國聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 就授權(quán) UWB 的無執(zhí)照使用。UWB 最早曾在軍用雷達(dá)中使用，甚至曾短暫用作遠(yuǎn)程心臟監(jiān)測系統(tǒng)。在當(dāng)時(shí)，實(shí)施成本和低于最初預(yù)期的性能限制了 UWB 在消費(fèi)產(chǎn)品中的使用。如今，超寬帶芯片價(jià)格便宜且體積小，足以將它們放入智能手機(jī)等其他設(shè)備中。如今，它是如此精確，以至于手機(jī)用戶現(xiàn)在可以將他或她的手機(jī)對準(zhǔn)朋友的手機(jī)來傳輸文件或照片。

是什么讓 UWB 如此獨(dú)特呢？它可以短距離傳輸數(shù)據(jù)，并通過測量無線電脈沖在設(shè)備之間傳播所需的時(shí)間來精確確定位置。顧名思義，它也使用更寬的頻率。超寬帶的頻率范圍在 3.1 和 10.6 GHz 之間。當(dāng)然它也有一個(gè)缺點(diǎn)，就是它的射程較短，但是當(dāng)您將兩個(gè)設(shè)備放在一個(gè)房間里時(shí)，這并不重要。

超寬帶是如何工作的？

與藍(lán)牙和 Wi-Fi 一樣，超寬帶是一種使用無線電波的無線通信協(xié)議。UWB 發(fā)射器在寬頻譜頻率上發(fā)送數(shù)十億個(gè)無線電脈沖，然后 UWB 接收器將脈沖轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)。與蝙蝠使用回聲定位來感知環(huán)境的方式相同，UWB 脈沖可用于感知兩個(gè)發(fā)射器之間的距離。脈沖持續(xù)時(shí)間越短，距離測量就越精確。UWB 實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)精度，因?yàn)樗棵氚l(fā)送多達(dá) 10 億個(gè)脈沖（大約每納秒 1 個(gè)）。

UWB的測距原理

1. 雙向飛行時(shí)間法（TW-TOF,two way-time of flight）每個(gè)模塊從啟動(dòng)開始即會(huì)生成一條獨(dú)立的時(shí)間戳 。模塊A的發(fā)射機(jī)在其時(shí)間戳上的Ta1時(shí)刻發(fā)射請求性質(zhì)的脈沖信號，模塊B在Tb1時(shí)刻發(fā)射一個(gè)響應(yīng)性質(zhì)的信號，被模塊A在自己的時(shí)間戳Tb2時(shí)刻接收。由次可以計(jì)算出脈沖信號在兩個(gè)模塊之間的飛行時(shí)間，從而確定飛行距離S。S=Cx[(Tb2-Ta1)-(Tb1-Ta2)](C為光速)
2. TOF測距方法屬于雙向測距技術(shù)，它主要利用信號在兩個(gè)異步收發(fā)機(jī)（Transceiver）之間飛行時(shí)間來測量節(jié)點(diǎn)間的距離。因?yàn)樵谝暰嘁暰€環(huán)境下，基于TOF測距方法是隨距離呈線性關(guān)系，所以結(jié)果會(huì)更加精準(zhǔn)。我們將發(fā)送端發(fā)出的數(shù)據(jù)包和接收回應(yīng)的時(shí)間間記為TTOT,接收端收到數(shù)據(jù)包和發(fā)出回應(yīng)的時(shí)間間隔記為TTAT,那么數(shù)據(jù)包在空中單向飛行的時(shí)間TTOF可以計(jì)算為：TTOF=(TTOT-TTAT)/2

然后根據(jù)TTOF與電磁波傳播速度的乘積便可計(jì)算出兩點(diǎn)間的距離D=CxTTOF

TOF測距方法和兩個(gè)關(guān)鍵側(cè)約束：

1、發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備必須始終同步

2、接收設(shè)備提供信號的傳輸時(shí)間的長短

為了實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，TOF測距方法采用了時(shí)鐘偏移量來解決時(shí)鐘同步問題。但由于TOF測距方法的時(shí)間依賴于本地和遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，測距精度容易受兩端節(jié)點(diǎn)中時(shí)鐘偏移量的影響。為了減少此類錯(cuò)誤的影響，這里采用反向測量方法，即遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，本地節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)包，并自動(dòng)響應(yīng)，通過平均在正向和反向所得的平均值，減少對任何時(shí)鐘偏移量的影響,從而減少測距誤差。

UWB測距定位具有以下幾種特點(diǎn)：

1. 系統(tǒng)容量大：帶寬增加使信道容量的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號功率上升所帶來的效應(yīng)。
2. 傳輸數(shù)據(jù)快：根據(jù)香農(nóng)公式，即使把發(fā)送信號功率拉到很低，也能實(shí)現(xiàn)較高的信息速率。通常情況下，其最大數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到幾百兆比特每秒到吉比特每秒。
3. 多徑分辨能力強(qiáng)：因?yàn)槠錁O高的工作頻率和極低占空比，所以它的占空比很高。窄脈沖的多徑信號在時(shí)間上不易重疊，很容易分離出多徑分量，因此能充分利用發(fā)射信號的能量。
4. 隱蔽性好：UWB的頻譜較寬，能量密度較低，所以具有很高的安全性。另一方面，由于能量密度低，UWB設(shè)備對于其他設(shè)備的影響很低。
5. 定位精確：UWB具有很高的定位精度，它采用超寬帶無線電通信，可在室內(nèi)和地下進(jìn)行精確定位，精度最高可達(dá)2厘米，一般精度在15厘米內(nèi)。
6. 抗干擾能力強(qiáng)：UWB的占空比一般為01～0.001，具有比其他擴(kuò)頻系統(tǒng)高得多的處理增益，抗干擾能力強(qiáng)。一般來說，UWB抗干擾處理增益在50dB以上。
7. 低功耗:UWB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備成本低。UWB使用間歇的脈沖來發(fā)送數(shù)據(jù)，信號無需載波，脈沖持續(xù)時(shí)間一般在20～1.5ns之間很短，有很低的占空因數(shù)，因此功耗很低，一般UWB系統(tǒng)只需要50～70mW的電源，功耗是藍(lán)牙技術(shù)的百分之十。

因?yàn)閁WB的技術(shù)優(yōu)勢，使其在測距定位場景中被廣泛應(yīng)用：

• 實(shí)現(xiàn)高精度的室內(nèi)定位，利用超寬帶脈沖信號進(jìn)行定位，其時(shí)間域分辨率非常高，可以實(shí)現(xiàn)厘米級別的定位精度，這比其他定位技術(shù)如WIFI、藍(lán)牙、RFID等要更加精準(zhǔn)?？梢杂糜?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1552478.html">車聯(lián)網(wǎng)、室內(nèi)導(dǎo)航、安防監(jiān)控、人員實(shí)時(shí)定位等場景。

• 可以實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸，UWB室內(nèi)定位技術(shù)使用超寬帶信號進(jìn)行通信和定位，具有高數(shù)據(jù)傳輸速率，可以實(shí)現(xiàn)Gbps級別的傳輸速率，這使得其在需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊舷赂哂袃?yōu)勢?？梢杂糜?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E6%99%BA%E8%83%BD%E5%AE%B6%E5%B1%85/">智能家居、智能醫(yī)療、智能辦公等領(lǐng)域。

• 低功耗和抗干擾能力強(qiáng)，可以保證設(shè)備長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。在室內(nèi)環(huán)境中，信號經(jīng)常會(huì)遇到多徑干擾問題，導(dǎo)致信號傳輸的不穩(wěn)定性。但是UWB室內(nèi)定位技術(shù)具有良好的抗多徑干擾能力，能夠減少信號干擾，從而提高定位的穩(wěn)定性和精度。

• 系統(tǒng)容量大，可同時(shí)工作的標(biāo)簽多，容量高。UWB定位技術(shù)使用的帶寬在1GHz以上，甚至可高達(dá)幾個(gè)GHz，那么每發(fā)送一個(gè)UWB信號的持續(xù)時(shí)間就非常短了。帶寬增加使信道容量的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號功率上升所帶來的效應(yīng)，這一點(diǎn)也正是提出超寬帶技術(shù)的理論機(jī)理。

因此，因?yàn)閁WB的這些優(yōu)點(diǎn)，近年來被越來越多的汽車廠商選用作無鑰匙定位系統(tǒng)。一方面可以用具有UWB功能的手機(jī)來作為汽車鑰匙，免去消費(fèi)者隨身攜帶鑰匙之苦。也可通過UWB數(shù)字鑰匙提供更加豐富的與車主互動(dòng)的features。

NXP推出的NCJ29D5就是其新一代超寬帶(UWB)IC系列的第一款產(chǎn)品，專用于滿足全球汽車業(yè)的連接和功能安全需求。UWB IC使汽車能夠知道用戶的確切位置，定位誤差精確到厘米級別。基于智能手機(jī)的汽車接入首次提供與一流的遙控鑰匙相同的便利性。用戶將手機(jī)放在口袋或包中便能夠打開和啟動(dòng)汽車，并通過智能手機(jī)享受安全的遠(yuǎn)程泊車服務(wù)。此外，新的UWB IC還可以最大限度地防止通過中繼攻擊盜車風(fēng)險(xiǎn)。

NCJ29D5芯片相關(guān)特性指標(biāo)

NCJ29D5芯片為NXP針對汽車行業(yè)而開發(fā)的集成UWB芯片，典型應(yīng)用為第三代數(shù)字車鑰匙的應(yīng)用。其主要特性包括：

• 符合 IEEE 802.15.4 HRP UWB PHY 標(biāo)準(zhǔn)
• 芯片上 MAC 固件，以減輕超寬帶范圍設(shè)置和會(huì)話控制
• 支持 SHF 超寬頻帶從 0 GHz 到5 GHz 的全球使用
• 中心頻率 5 GHz 到0 GHz
• 可編程發(fā)射機(jī)輸出功率高達(dá) 12 dBm 峰值
• 與 IEEE 802.15.4 相比，128 MHz PRF 模式使可用的平均 TX 功率加倍
• 優(yōu)化短幀模式操作
• 全相干接收機(jī)的最大范圍和精度
• 集成所有需要的射頻元件(即 balun,TRX 開關(guān))
• 供電電壓 8 V ~ 3.6 V
• 低能源消耗
• 可配置的電流限制應(yīng)用與硬幣電池供應(yīng)
• 數(shù)據(jù)速率 110 kbps (BPRF)， 850 kbps (BRRF)，8 Mbps (BPRF)，8 Mbps (HPRF)
• 支持雙向測距
• IEEE 802.15.4z BPRF/HPRF 超寬帶 PHY 協(xié)議草案，對抗 Cicada 和前導(dǎo)碼注入攻擊造成的遠(yuǎn)距離操縱
• 混亂時(shí)間戳序列 (STS) 生成兼容 NIST SP 800-90A
• 集成 I/Q 相位和振幅失配補(bǔ)償
• 窄帶干擾消除 (NBIC)，具有卓越的同通道干擾抑制能力
• XO 緩沖器，用于與其他設(shè)備共享 XTAL( 例如 UHF 或 BLE 收發(fā)器)
• 6mm x 6mm 40-pin QFN 包帶 5 mm 鉛間距和可濕性側(cè)面
• 外部組件數(shù)量少
• ARM?Cortex-M33 32 位處理器 2 MHz
• ARM?AHB-Lite 總線矩陣和雙主 NS-DMA 快速數(shù)據(jù)傳輸
• 256kbyte 非易失性內(nèi)存
• 40 kByte RAM
• 96 kByte ROM
• ARM?TrustZone 技術(shù)和 S-DMA 安全
• 高級加密標(biāo)準(zhǔn) AES (Advanced Encryption Standard)，具有 128 位密鑰和 256 位密鑰
• 具有 256 位、384 位和 512 位密鑰的橢圓曲線密碼 (ECC)
• 256 位的安全哈希算法 2 (SHA2-256)
• 安全接口(啟用 GlobalPlatform 協(xié)議)
• 循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 計(jì)算的協(xié)處理器
• 真隨機(jī)數(shù)生成 (TRNG)
• SPI, UART 和 LIN 兼容接口
• 簡化了定制應(yīng)用程序的開發(fā)的 API
• 應(yīng)用程序開發(fā)的幾個(gè)計(jì)時(shí)器
• 低功耗喚醒計(jì)時(shí)器
• 看狗定時(shí)器
• 支持高精度外部溫度傳感器，精確的晶體溫度漂移補(bǔ)償
• 集成溫度傳感器用于晶體溫度漂移補(bǔ)償
• 通用 ADC 10 位

NCJ29D5是專為全球汽車業(yè)需求而設(shè)計(jì)的新一代UWB集成電路。與恩智浦連接和安全解決方案（如藍(lán)牙、近場通信和安全元件（SE））相結(jié)合，該技術(shù)提供真正安全免手持智能門禁功能，支持汽車連接標(biāo)準(zhǔn)化。

隨著該芯片的推出，恩智浦、寶馬集團(tuán)、大陸集團(tuán)以及其他公司通過車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（CCC）和IEEE合作研究UWB部署事項(xiàng)，以確保在車輛、移動(dòng)設(shè)備和消費(fèi)者設(shè)備的交叉領(lǐng)域使客戶獲得最佳體驗(yàn)。所有的標(biāo)準(zhǔn)化工作旨在實(shí)現(xiàn)免手持智能門禁和其他基于UWB汽車定位用例的全球標(biāo)準(zhǔn)。

昂科作為NXP的全球第三方合作伙伴，支持了NXP包括經(jīng)典的LPC系列、S12系列、Kinetis系列、PowerPC系列MCU，和汽車級S32系列MCU，以及最新的i.MX RT系列的量產(chǎn)化燒錄。同時(shí)，也支持了NXP的各種可編程芯片，比如在汽車電子中廣泛應(yīng)用的PF、FS系列各種PMIC芯片，在電源行業(yè)應(yīng)用的數(shù)字LCC+FPC控制器TEA2016/TEA2017，以及汽車電子的TPMS Sensor等等。當(dāng)然，也包括NXP在汽車數(shù)字鑰匙領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的NCJ20D5、NCJ29D6 UWB數(shù)字IC。

由于NCJ29D5內(nèi)置一顆ARM?Cortex-M33 32 位處理器，同時(shí)也采用了 ARM? TrustZone技術(shù)和 S-DMA 安全技術(shù)。其高級加密標(biāo)準(zhǔn) AES (Advanced Encryption Standard)，具有 128 位密鑰和 256 位密鑰；具有 256 位、384 位和 512 位密鑰的橢圓曲線密碼 (ECC)。是一款具有非常高安全等級要求的數(shù)字主控。昂科的量產(chǎn)化燒錄算法開發(fā)也必須遵循NXP原廠的安全協(xié)議，并小心的處理每一步數(shù)字交互。

現(xiàn)在昂科已經(jīng)支持了多個(gè)汽車電子客戶的NCJ29D5的量產(chǎn)化燒錄，并且NCJ29D5已經(jīng)被加入到了昂科AP8000通用燒錄平臺(tái)的軟件支持list中，在昂科官網(wǎng)下載最新版的燒錄軟件即可免費(fèi)支持。

NCJ29D5燒錄UI界面：

NXP憑借其最新的汽車超寬帶芯片，這種精度使配備超寬帶的汽車、手機(jī)和其他智能設(shè)備的空間感知能力得以實(shí)現(xiàn)，使汽車能夠準(zhǔn)確地知道用戶在哪里。這意味著基于智能手機(jī)的汽車接入現(xiàn)在提供了與最先進(jìn)的遙控鑰匙相同的便利程度。用戶可以打開并啟動(dòng)汽車，同時(shí)將手機(jī)放在口袋或包中，并通過智能手機(jī)享受安全的遠(yuǎn)程停車，而且還可以通過中繼攻擊對汽車防盜進(jìn)行額外的保護(hù)。使用新的NCJ29D5芯片，現(xiàn)在可以在汽車側(cè)使用UWB。有了超寬帶，汽車可以檢測到擁有智能手機(jī)的車主是如何接近汽車的，并且在汽車連通性聯(lián)盟（car Connectivity Consortium）規(guī)定的特定距離內(nèi)，可以認(rèn)證并啟用某些功能。例如，當(dāng)距離8米左右時(shí)，它可以開啟迎賓燈，當(dāng)距離不到2米時(shí)，它可以打開汽車。這提供了真正的免提汽車接入，將智能手機(jī)變成了數(shù)字鑰匙。

昂科技術(shù)自主研發(fā)的AP8000萬用型燒錄器包含主機(jī)，底板，適配座三大部分。

主機(jī)支持USB和NET連接，允許將多臺(tái)編程器進(jìn)行組網(wǎng)，達(dá)到同時(shí)控制多臺(tái)編程器同時(shí)燒錄的目的。內(nèi)置芯片安全保障電路保證即使芯片放反或其他原因造成的短路可以被立即檢測到并進(jìn)行斷電處理，以保障芯片和編程器安全。內(nèi)嵌高速FPGA，極大地加速數(shù)據(jù)傳輸和處理。主機(jī)背部有SD卡槽，將PC軟件制作得到的工程文件放到SD卡的根目錄下并插入到該卡槽內(nèi)，通過編程器上的按鍵可進(jìn)行工程文件的選擇，加載，執(zhí)行燒錄等命令，以達(dá)到脫離PC便可操作的目的，極大的降低了PC硬件配置成本，方便迅速地搭配工作環(huán)境。

AP8000通過底板加適配板的方式，讓主機(jī)擴(kuò)展性更強(qiáng)，目前已經(jīng)支持了所有主流半導(dǎo)體廠家生產(chǎn)的器件，包括TI, ST, MicroChip, Atmel, Hynix , Macronix, Micron, Samsung ,Toshiba等。支持的器件類型有NAND,NOR,MCU,CPLD,FPGA,EMMC等，支持包括Intel Hex，Motorola S, Binary, POF等文件格式。

公司介紹

關(guān)于恩智浦半導(dǎo)體：恩智浦半導(dǎo)體（NXP）創(chuàng)立于2006年，以其領(lǐng)先的射頻、模擬、電源管理、接口、安全和數(shù)字處理方面的專長，提供高性能混合信號和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品解決方案。這些創(chuàng)新的產(chǎn)品和解決方案可廣泛應(yīng)用于汽車、智能識(shí)別、無線基礎(chǔ)設(shè)施、照明、工業(yè)、移動(dòng)、消費(fèi)和計(jì)算等領(lǐng)域。2015年，恩智浦收購了由摩托羅拉創(chuàng)立的飛思卡爾半導(dǎo)體，成為全球前十大非存儲(chǔ)類半導(dǎo)體公司，以及全球最大的汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商。

關(guān)于昂科技術(shù)：昂科技術(shù)（ACROVIEW）是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體芯片燒錄解決方案提供商，公司堅(jiān)持以科技改變世界、用智能驅(qū)動(dòng)未來，持續(xù)不斷的為客戶創(chuàng)造價(jià)值。昂科的AP8000通用燒錄器平臺(tái)及最新的IPS5000燒錄自動(dòng)化解決方案，為半導(dǎo)體和電子制造領(lǐng)域客戶提供一站式解決方案，公司已服務(wù)包括華為、比亞迪、富士康等全球領(lǐng)先客戶。