UWB在汽车电子通信中的应用

阿宝说车

2024-12-25 09:00发布于广东汽车领域创作者

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划重点

01超宽带(UWB)技术在汽车电子通信领域逐渐崭露头角，如UWB钥匙，利用其高精度定位和低功耗特性，提供更加安全、便捷的车辆访问体验。

02UWB技术具有信道容量大、传输速率极高、发射功率低、抗干扰能力强等特点，显著超越了蓝牙和WiFi等传统技术。

03除此之外，UWB技术在车载领域的其他应用包括UWB雷达、数字钥匙等，为提升安全性、智能化体验和带动产业链发展提供巨大潜力。

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作者 | 不可说

出品 | 汽车电子与软件



#01
UWB引入


近年来，在快速发展的电子科技领域中，一个频繁被提及的技术术语便是UWB（超宽带）。UWB技术凭借其独特的优势，在众多应用场景中展现出了巨大的潜力，特别是在苹果公司的产品中得到了显著体现。例如，苹果的“隔空投送”功能就巧妙地利用了UWB技术，通过精准定位目标设备，为设备间快速建立无线连接提供了坚实的基础。值得注意的是，尽管在数据传输的过程中UWB并未直接参与，但其出色的定位能力却极大地提升了用户体验的便捷性。

          

此外，苹果的AirTag也是UWB技术应用的又一典范。这款小巧的追踪器利用UWB技术实现了厘米级的定位精度，并具备三维位置跟踪功能，让用户能够轻松找到遗失的物品，无论是家中的钥匙还是办公室的文件夹，都能迅速定位，大大节省了时间和精力。

          

除了在消费电子领域的广泛应用，UWB技术在汽车电子领域也逐渐崭露头角。其中，UWB钥匙便是一个典型的例子。这种新型的钥匙利用UWB技术的高精度定位和低功耗特性，为用户提供了更加安全、便捷的车辆访问体验。与传统的钥匙相比，UWB钥匙不仅更加智能化，还能够在一定程度上提升车辆的安全性，防止未经授权的访问。

        


 

#02
UWB介绍


简介 


UWB（Ultra Wide Band，超宽带）技术是一种创新的近距离无线通信技术，它显著区别于传统的通信技术。传统通信通常依赖载波来传输数据，而UWB则通过发送和接收纳秒甚至亚纳秒级的极窄脉冲来实现数据传输，每个信息比特可以映射为数百个这样的脉冲，这种方式大大提升了数据传输的效率和独特性。


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从技术规格上看，UWB被定义为相对宽度不小于20%或绝对带宽不小于500MHZ的无线电信号。这一特性使得UWB在定位精度、定位距离、安全性以及抗干扰能力等方面均表现出色，超越了蓝牙和WiFi等传统无线通信技术。

特性 


在当前的车载近距离无线通信技术领域，蓝牙和Wi-Fi已成为常见的选择。然而，随着技术的发展和汽车电子系统对数据传输速率与定位精度的要求日益提升，引入UWB技术显得尤为必要。UWB技术的两大核心优势——数据传输速率可达4~675Mbps，定位精度可达0.1-0.15米，显著超越了蓝牙和Wi-Fi等传统技术，这两大特性在汽车电子系统中至关重要，直接关系到车辆内部通信的效率和安全性。下面具体看下UWB具有哪些特性：
              
UWB之所以能在车载无线通信方案中占据一席之地，得益于其多方面的卓越性能。首先，UWB具有信道容量大的特点，其带宽通常在500MHz以上，根据香农公式，信道带宽越宽，所能容纳的信息量就越大，这为高速数据传输提供了坚实的基础。其次，UWB的传输速率极高，在10米左右的范围内，可实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率，这对于需要快速交换大量数据的车载系统而言，无疑是一个巨大的优势。
          
此外，UWB的发射功率低，能耗小，对人体的辐射危害几乎可以忽略不计，这使得它在车载环境中使用时更加安全可靠。同时，UWB信号的多径分辨率高，对信道衰减不敏感，具有较强的抗衰减能力，能够在复杂环境中保持稳定的通信质量。
          
在安全性方面，UWB也表现出色。由于其功率谱密度低于普通的环境噪声，UWB信号难以被甄别，这为车载通信提供了更高的保密性。再者，UWB窄脉冲具有很强的穿透能力，能够穿透障碍物并识别障碍物后隐藏的物体，这对于车辆的安全监控和辅助驾驶系统具有重要意义。
          
UWB的定位精度极高，其距离分辨精度可达到厘米级，这对于实现车辆内部精确的位置感知和定位功能至关重要。所以说，UWB技术在车载近距离无线通信方案中的引入，不仅是对现有技术的补充，更是对未来汽车电子系统发展趋势的积极响应。
          


#03
UWB数字钥匙


汽车数字钥匙对比 


现今，汽车数字钥匙技术已相当先进，主要存在三种主流方案：NFC（近场通讯）钥匙、BLE（蓝牙低功耗）数字钥匙以及UWB数字钥匙。值得注意的是，尽管UWB数字钥匙以其高精度和高安全性著称，但它在实际应用中往往也会融合NFC与BLE技术，以实现更全面的功能和更高的用户便利性。   
          
NFC钥匙依赖于近场通讯技术，其通信距离仅限于厘米级别。车主只需将配备有NFC功能的卡片或手机贴近车身，即可轻松开启车辆。这一方案的显著优势在于，即便在手机电量耗尽或BLE、UWB技术因故无法工作时，车主依然能够依靠NFC启动车辆，确保了紧急情况下的可用性。然而，NFC钥匙的局限性在于其极短的通信距离，这限制了其功能拓展的可能性，并且相较于BLE方案，NFC的成本通常会稍高一些。特斯拉Model 3等高端车型已经成功应用了NFC钥匙技术。

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NFC数字钥匙

BLE数字钥匙则采用了更为广泛的蓝牙技术，其通信距离相较于NFC有了显著提升，能够通过蓝牙信号的强弱来大致判断车与钥匙之间的相对位置。BLE钥匙的优势在于其低功耗特性，这对于延长手机电池寿命至关重要。然而，BLE在感知精度和准确性方面存在不足，这在一定程度上影响了用户体验。尽管如此，BLE和NFC仍然是当前市场上最为流行的两种数字钥匙方案，而BLE在成本控制上更具优势。问界M7、阿维塔等车型已经采用了BLE数字钥匙技术。   

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BLE数字钥匙

UWB钥匙则代表了汽车数字钥匙技术的最前沿。它通常结合了NFC、BLE和UWB三种技术，以实现更为精准和安全的车辆访问控制。当车主远离车辆时，BLE技术首先进行粗略定位；随着车主逐渐靠近车辆（通常在十几米范围内），UWB技术开始发挥作用，利用锚点进行实时测距和精确定位。而NFC则作为备用方案，在手机电量不足时仍能提供开启车辆的功能。UWB钥匙的最大优点在于其高安全性，UWB测距序列支持高达8000个安全位，且钥匙和车端需进行滚码解锁，这大大增强了系统的安全性。同时，UWB的定位精度可达厘米级别，为车主提供了更为便捷的车辆访问体验。然而，UWB钥匙的功耗相对较大，且成本最高，可达BLE方案的两三倍之多。腾势D9就采用了UWB数字钥匙技术。

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UWB数字钥匙
          

UWB数字钥匙实现方案 


融合了UWB、BLE和NFC三种技术，以实现高效、安全的车辆访问与控制。整个流程设计得既精密又实用，确保了从远程到近距离的不同阶段，用户都能顺畅地与车辆进行交互。   

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首先，在远离车辆时，BLE蓝牙因其低功耗且广泛兼容的特性被用作首选通信手段。它默认保持开启状态，负责完成初步的身份认证、必要的数据交互以及车辆的粗略定位。这一步骤确保了用户身份的有效验证，并为后续的精确操作奠定了基础。
          
随着用户逐渐靠近车辆（进入十几米的范围内），系统无缝切换至UWB技术。UWB以其高精度、低延迟的特点，通过布置在车辆周围的锚点进行实时测距和精确定位。这一转变不仅提升了定位的精确性，还为用户提供了更加流畅和即时的车辆接入体验。
          
NFC技术则扮演着双重角色：一方面，在车辆制造或配置阶段，NFC用于安全地将秘钥信息注入到钥匙设备中，确保了整个系统的安全性；另一方面，NFC作为应急备用方案，在BLE和UWB因故无法正常工作（例如，手机和钥匙电量耗尽）时，用户仍可通过NFC刷开车门并启动车辆，从而保证了系统的可靠性和应急处理能力。
          
硬件配置上需要UWB模块、BLE模块以及NFC模块。这些模块的协同工作能够为用户提供高效、安全的交互体验。
          
首先，UWB模块作为系统中的核心组件，其布局策略至关重要。通常有两种布局方案可供选择：   
          
  • 车内4个UWB模块布局：这种方案将UWB模块分别安装在车内B柱的两侧以及前后挡风玻璃的中上位置。这样的布局设计能够确保在车辆内部形成全面的覆盖，从而精确判断乘员的位置信息，对于提升车内乘员安全监测等功能具有重要意义。然而，这种布局在车辆外部远距离时的性能可能会受到一定影响，因为UWB信号在穿透车身金属结构时会遭遇衰减。
          
  • 车外4个+车内1个UWB模块布局：此方案在车外前后保险杠的两侧以及车内中控位置分别安装UWB模块。这种布局方式显著增强了车外UWB的性能，因为信号无需穿透车身即可直接传输，从而覆盖了更广泛的区域，提高了车辆外部的定位精度和响应速度。但相应地，车内对于乘员位置的感知能力会相对减弱，因为车内只有一个UWB模块提供数据。

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车外4个+车内1个UWB模块布局

除了UWB模块外，系统还需要至少一个BLE模块来支持远距离的通信与身份认证。BLE模块的低功耗特性使其能够长时间保持工作状态，确保用户即使在远离车辆时也能顺利进行信息交互。
          
此外，NFC模块作为系统的安全备份和近距离交互手段，通常需要配备两个。一个NFC模块可以用于车辆出厂时的秘钥注入，确保整个系统的安全性；另一个则作为应急备用，当BLE和UWB模块因故无法正常工作时，用户可以通过NFC刷开车门并启动车辆，从而保证了系统的可靠性和灵活性。   
      

    
#04
UWB在车载领域的其他应用

UWB雷达无需依赖UWB标签的存在即可运作。UWB雷达的工作原理更接近于我们在飞机和汽车上常见的各类雷达系统。具体来说，UWB雷达系统通过在车辆内部精心布置的UWB锚点发射出UWB脉冲信号。这些信号在遇到障碍物后会反射回来，形成回波，系统随后接收这些回波。通过对回波中的扰动进行精密分析，UWB雷达能够判断其附近是否存在物体或人。
          
关键的一点是，UWB雷达技术能够与数字车钥匙系统共存。这一特性使得我们可以重复使用原本为数字钥匙功能配置的UWB锚点硬件，从而提高了硬件资源的利用效率，降低了整体系统的成本。
          
UWB雷达在探测能力上的优势尤为突出，它能够检测到包括婴幼儿呼吸在内的细微动作（UWB 雷达的多普勒效应）。这一特点使得UWB雷达能够支持车内活体检测功能，为车内儿童检测功能的开发提供了强有力的技术支撑。在实际应用中，这一功能对于提高行车安全性、预防儿童被遗忘在车内等危险情况具有重要意义。
          
此外，UWB雷达在检测精度方面也表现出色。它能够以优于1bpm（每分钟呼吸次数，Breath Per Minute）的分辨率提供更加精确的检测数据。这种高精度的检测能力使得UWB雷达在监测生命体征、实现精准控制等方面具有广泛的应用前景。
              
UWB雷达还可以用于尾门脚踢感应功能。借助其精准的检测能力，尾门脚踢感应功能能够准确识别用户的动作意图，实现尾门的自动开启或关闭，同时大大降低了误触发的可能性，提升了用户体验。



#05
小  结

UWB技术在可以实现高精度定位与测距、提升安全性、升级智能化体验、带动产业链发展，因此，UWB技术在汽车电子通信技术领域具有巨大的应用潜力和市场前景。
              

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