UWB技术的应用场景和工作方式-电子发烧友网

UWB（Ultra-Wide Band，超宽带）是一种无线通信技术，利用非常宽的频谱（通常超过500 MHz）进行高精度测距和定位。该技术最初主要应用于军用雷达系统。随着频谱开放以及民用市场对高精度定位的需求增长，2019年之后UWB技术逐渐普及到消费电子、汽车、工业、智能家居、医疗等多个领域。

在汽车行业主要用于以下场景：

数字钥匙（Digital Key）：车主携带手机或UWB钥匙靠近车辆时，系统自动识别并解锁。UWB可以判断钥匙是在车内还是车外，防止“中继攻击”（Relay Attack）。相比BLE或 NFC，其抗干扰能力更强且定位精度可达厘米级。目前主流的手机品牌均已支持UWB功能。

智能泊车辅助：可用于车辆与停车场基础设施之间的高精度通信，实现自动泊车、车位引导、车位识别等功能。

车内人员定位与交互：可以实时定位车内乘客，精确感知不同座位上人员的存在与位置。借助高精度感测能力，能够探测到诸如呼吸或熟睡儿童心跳等微小动作，从而实现儿童遗留检测（CPD）。

手势与动作控制：通过挥手实现切歌、调节音量等操作。感知脚在保险杠下方的特定踢动轨迹来实现脚踢感应开启尾门。

辅助电动汽车充电：用于确定充电基础设施与汽车的相对位置，并引导驾驶员使用手动充电器。UWB还可以用于自动解锁、打开、关闭和锁定充电盖。在电动汽车无线充电时，UWB还可以用于辅助汽车底部的磁性线圈与充电板中的充电线圈对齐。

UWB工作方式

UWB在通信时使用约2ns的脉冲用于数据传输，这种短时间脉冲特别适合高精度定位和低功耗通信。

在时域中是一个持续时间非常短的尖峰，通过傅里叶变换后在频域中会展开成一个非常宽的频率范围。宽频率的特性能够保证很高的时间分辨率以及很强的抗干扰能力，并且在多路径传播时可以精确分离反射信号。根据工信部2024年发布的《超宽带（UWB）设备无线电管理暂行规定》，中国允许的UWB工作频率范围是7.163GHz至8.812GHz。

UWB在测距时支持多种方式，各种方式适用于不同的应用场景和精度要求。这些测距方式根本的共同点是基于飞行时间来计算距离。通过测量无线电信号从一个设备传播到另一个设备所需要的时间（即飞行时间ToF），然后基于ToF*光速来计算距离。不同方法的区别在于如何精确地测量出这个飞行时间，并消除时钟不同步带来的误差。

其中SS-TWR只需要一次往返通信，并且发起者和响应者不需要严格的时间同步，很适合移动设备的快速测距。下面以SS-TWR测距方式为例来看下UWB的测距原理。

该方法主要用于两个设备（发起者和响应者）之间的距离测量，其核心是通过一次往返通信来估算距离。测距流程如下：

1.发起者发起测距请求。发起者向响应者发送一个测距请求消息，并记录发送时间T1。

2.响应者收到请求并回复。响应者接收到消息后，记录接收时间T2。然后发送一个响应消息，并记录发送时间T3。

3.发起者收到响应消息，并记录接收时间T4。

4.发起者可以根据上述时间戳计算出往返时间

根据信号传播速度（约等于光速）计算距离

UWB命令接口

UCI（UWB Command Interface，UWB命令接口）是UWB技术的关键组成部分，用于在主机（Host）和UWB控制器之间进行通信。

在没有UCI标准之前，不同芯片公司的UWB芯片使用自己的命令来控制测距、数据传输等功能。这严重限制了UWB技术的普及和应用生态的建立。于是FiRa Consortium在2020年建立了UWB技术的基础规范，其中就包括UCI的初始版本，确保各类主机设备（如手机、电脑）能够通过统一的命令集与UWB芯片进行交互。通过UCI与芯片交互时主要使用以下几个功能组：

UWB测试硬件VH4110

随着物联网协议在汽车领域的广泛应用，CANoe中的Option Connectivity用于UWB、NFC、BLE、WLAN/LAN等物联网协议的仿真、分析和测试，并推出了配套硬件设备VH4110（又称IoT Enabler）用于多种无线通信协议的解析与交互。

VH4110可以作为基于IP通信的路由器，将CANoe与被测件通过WLAN/LAN进行本地连接，也可以使用非IP通信的无线通信（例如UWB、BLE、NFC）技术与被测件连接。

VH4110通过USB Type-C连接到运行CANoe的主机上。其传输的数据仅与CANoe进行交互，用户在主机上不需要特殊的网络权限或者修改防火墙配置。使用时无需安装驱动。VH4110提供4个USB接口，用于插入对应的USB适配器进行无线通信。

CANoe中的配置

vCDL（Vector Communication Description Language）是CANoe Communication Concept中用于描述通信对象的语言，以简单的语法定义和配置分布式对象（Distributed Objects，DO）。创建并在CANoe中加载UWB通信对应的vCDL文件后，通过VH4110跟被测件交互的无线协议报文会以DO的方式呈现，用户既可以直接使用CANoe Application Panel，也可以使用编程语言（CAPL、C#、Python等）在CANoe中对被测件进行无线协议测试。

1.VH4110需搭配UWB适配器使用，当前支持的适配器型号包括Qorvo DWM 30001 CDK 和NXP Trimension SR150。将适配器通过UWB线束连接到VH4110上。

2.打开UWB示例工程（可发送邮件到support@cn.vector.com告知使用的UWB适配器型号并索要工程）。

3.打开Simulation—Communication Setup可查看工程使用的CAPL脚本及vCDL文件。其中UWB命令接口基于vCDL文件编写。收发的数据的序列化及反序列化以及发送的命令参数通过CAPL实现。

4.打开Simulation—Communication Setup可查看工程使用的CAPL脚本及vCDL文件。其中UWB命令接口基于vCDL文件编写。收发的数据的序列化及反序列化以及发送的命令参数通过CAPL实现。

在vCDL中包含发起者和响应者的接口。

5.如需修改UWB收发数据的序列化及反序列化或者UWB命令参数可以打开*.can文件进行修改。

6.按需求编辑完成后，即可运行工程。依次执行Panel上的“Open UART device”、“Init Session”、“Config Responder”、“Config Ranging”、“Start Ranging”可开启测距功能。UWB通信的内容会显示在Trace窗口中，以便查看和分析。