頻率控制如何保障安全可靠的 UWB 應用

超寬頻 (UWB) 是在二戰期間針對安全通訊和雷達系統而開發，但禁用於商業用途，因此幾十年來幾乎未經利用。2002 年發佈的聯邦法規促使 UWB 發揮更大的用途。從那時起，越多越多商業應用逐漸受到吸引而採用，包括工業、消費性、通訊和汽車，這些應用開始利用其精確的定位和位置追蹤功能，也享受此無線通訊協定所帶來的高速數據傳輸和最小功耗優勢。

如同其他短程無線通訊協定 (如藍牙和 Wi-Fi)，UWB 可促進個人區域網路 (PAN) 的建立，以便在個人近距離範圍內與電子裝置互連並協助資料傳輸。PAN 不會透過 LAN 或 WAN 傳送資料，而是在靠近人員的裝置之間傳輸資訊。

然而，UWB 與其他傳輸技術在幾個關鍵層面上有所不同，這也推動 UWB 在越來越多主流無線應用中獲得採用。 

圖 1：UWB 具有安全、寬廣的頻率範圍和精密的感測能力，可促成多種主流無線應用。(圖片來源： Aker Technology)

UWB 的工作頻率相當高，而且不會干擾其他無線協定。這有利於眾多屬性，例如空間音訊、智慧家庭整合和非接觸式支付系統等，因此特別適合用於車輛、行動和消費性裝置 (如智慧手機和標籤)。此技術有助於達到進階功能，例如安全非接觸門禁、室內導航、非接觸支付、憑證共用和物品追蹤等。

UWB 帶來的優點

雖然藍牙和 Wi-Fi 都在無線通訊領域佔有一席之地，但 UWB 有望主導 10 至 20 公尺內運作的應用，因為具有更快、更安全且極其準確的優點。這主要歸功於飛時測距 (ToF)。

表 1：UWB 的 3.1 至 10.6 GHz 頻譜帶讓 Wi-Fi 和藍牙最多 2.4 至 5 GHz 的頻譜帶相形見絀。UWB 會以更大的頻寬在更高頻率的範圍內運作，能更安全地傳遞更多數據，因此非常適合高速的短程數據傳輸。(圖片來源： Aker Technology)

UWB 的 ToF 能力可準確地測量訊號在裝置之間傳遞所花費的時間，而且採用加密本質、亂數生成以及其他安全技術，因此可讓外部攻擊者更難存取或操控 UWB 通訊。

除了具有高安全性，UWB 技術還提供低功耗、良好的雜訊耐受度、精確的定位和位置追蹤，而且可讓訊號輕鬆穿透多種材料。UWB 可在不干擾相同頻段中的傳統窄頻與載波傳輸情況下，傳輸大量訊號能量。

無線速度 (即時數據、精確計時)：雖然 Wi-Fi 的 600 Mbps 數據傳輸率略高於 UWB 的 460 Mbps，但 UWB 具有類似雷達的偵測能力，因此是無線應用的實用選擇。(附帶參考，藍牙的數據傳輸率為 24 Mbps。)此外，UWB 的標稱距離小於藍牙或 Wi-Fi，最適合需要精確計時和即時數據傳輸的短距離應用。

準確度 (定位、位置追蹤)：UWB 的準確度在短距離內是其他任何無線技術都無法比擬的，可確保更精確的裝置定位。由於不會干擾其他無線電傳輸和無線電突發技術，因此 UWB 可有效地測量距離，準確度小至 10 至 30 公分，遠比 Wi-Fi (2 至 3 公尺) 和藍牙 (1 至 5 公尺) 的測量距離更優異。

安全性 (資料完整性、安全傳輸)：UWB 的脈衝傳輸技術具有抗雜訊和抗反射能力，因此可在多種應用中保持高度安全。由於 UWB 可讓兩個裝置之間直接連線並可達到精準測量，因此可即時與裝置連線並驗證其合法性，而無需記錄或中轉無線電波。

電源效率 (低漏電、最佳功耗)：由於具有快速的傳輸速度和定義明確的計時訊框，UWB 比大多數短距通訊協定更節能。可支援多種低功耗模式，包括休眠模式，可進一步提升電源最佳化效果。若是小型的電池供電式裝置，例如在 UWB 環境中的裝置，功耗是關鍵的考量因素。

晶體振盪器可促成 UWB 應用

UWB 可在寬廣的頻率範圍內符合短距無線應用的需求，這也帶來準確控制頻率的需求，以便確保精確定位、位置追蹤和高速數據傳輸，也就是 UWB 如此實用的原因。

表 2：符合 UWB 頻率控制需求的典型高效能晶體。石英晶體是常用的頻率控制裝置，可用來確保必要的訊號與計時控制，可在正確的時間和速度下傳輸資訊。晶體的穩定性、相位雜訊特性和電源效率會影響 UWB 通訊和定位系統的品質和可靠性。(圖片來源：Aker Technology)

穩定的振盪器可提供可靠且準確的時脈訊號，以便確保 UWB 脈衝維持其所需的形狀和頻譜。換言之，UWB 發射器產生的脈衝形狀會受到振盪器提供的時序影響。

振盪器中的頻率漂移或不穩定性會導致訊號失真和效能不佳，因此選擇具有正確頻率範圍、容差和穩定性的晶體相當重要。其他關鍵參數包括封裝類型、工作溫度和負載電容值。

UWB 的主要市場

UWB 首次出現在 iPhone 11 中，之後便迅速在多種 PAN 架構應用中採用，包括智慧標籤和車載參考點或錨點。UWB 技術有助於推進智慧無線技術的創新，讓自動化應用更加優異。以下是 UWB 徹底改變各種短距無線市場的幾個範例 (圖 2)：

工業 – UWB 用於資產追蹤、室內定位、監測系統、無線感測器網路和智慧電網應用。此技術能為人員和設備提供準確的位置資訊。

消費性通訊 – 此技術用於智慧型手機、穿戴式裝置、IoT、智慧家庭系統和智慧標籤，可讓短距裝置之間達到快速可靠的無線連線。UWB 可提供更準確的空間追蹤，例如精確的室內定位。

汽車 – 汽車產業中的遙控鎖系統、安全車輛存取、先進駕駛輔助系統 (ADAS) 和追蹤功能，皆採用 UWB 進行精確定位。

圖 2：UWB 應用。(圖片來源：Aker Technology)

頻率控制有助於無線創新

對無線連線的需求不斷增長，尤其是在物聯網 (IoT) 裝置的激增和 5G 網路的部署下，在頻段內傳輸的資料量也不斷挑戰新極限。不斷增加的無線基礎設施更仰賴 UWB 提供的關鍵效能參數。

UWB 可在寬廣的頻率範圍內運作，可傳輸大量的訊號能量，且不會干擾同一頻段內的傳統窄頻和載波傳輸。這種大頻寬的分配需要精確的頻率控制，以免對同一頻段內運作的其他無線系統產生干擾，也可達到數據傳輸的同步化並維持可靠的通訊。

結論

UWB 技術可促成安全測距和精確感測，為無線裝置開啟新的空間感知境界。不僅可傳輸大量訊號能量，且不會干擾同一頻段內的傳統窄頻和載波傳輸。UWB 是 IoT、穿戴式裝置、即時定位、智慧汽車存取、家庭控制面板、點對點通訊、自動解鎖和門禁管理的未來道路；Aker 以其豐富多樣的計時晶體，在此提供助力。