UWB厘米级定位技术在汽车数字钥匙中的应用与NCJ29D5的量产化烧录

什么是UWB？

UWB(Ultra Wide Band)，即：超宽带技术，它是源于20世纪60年代兴起的一种无线载波通信技术。一般的通信体制都是利用一个高频载波来调制一个窄带信号，通信信号的实际占用带宽并不高。而UWB不同于传统的通信技术，它通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来实现无线传输的。由于脉冲时间宽度极短，因此其所占的频谱范围很宽。

UWB具有高精度、高速率、低功耗、抗干扰等优势。UWB技术是一种无线通信技术，其特点是信号带宽非常宽，频率范围覆盖了从几百兆赫兹到几吉赫兹的频段，可以实现高精度的定位和距离测量。

传统的定位技术判断物体的位置是依靠信号的强弱来判断的，易受到外界干扰。定位的误差较大，精度不高，而UWB定位采用了宽带脉冲通讯技术，有很强的抗干扰能力，使得定位误差大大降低。它填补了高精度定位领域的空白，精度可达厘米级。

提到UWB，可能很多人就会想起苹果公司的AirTag。

虽然你可能只是在 2019 年苹果将 UWB 添加到 iPhone 时才听说超宽带，但实际上，这项技术已经存在了几十年。早在 2002 年，美国联邦通信委员会 (FCC) 就授权 UWB 的无执照使用。UWB 最早曾在军用雷达中使用，甚至曾短暂用作远程心脏监测系统。在当时，实施成本和低于最初预期的性能限制了 UWB 在消费产品中的使用。如今，超宽带芯片价格便宜且体积小，足以将它们放入智能手机等其他设备中。如今，它是如此精确，以至于手机用户现在可以将他或她的手机对准朋友的手机来传输文件或照片。

是什么让 UWB 如此独特呢？它可以短距离传输数据，并通过测量无线电脉冲在设备之间传播所需的时间来精确确定位置。顾名思义，它也使用更宽的频率。超宽带的频率范围在 3.1 和 10.6 GHz 之间。当然它也有一个缺点，就是它的射程较短，但是当您将两个设备放在一个房间里时，这并不重要。

超宽带是如何工作的？

与蓝牙和 Wi-Fi 一样，超宽带是一种使用无线电波的无线通信协议。UWB 发射器在宽频谱频率上发送数十亿个无线电脉冲，然后 UWB 接收器将脉冲转换为数据。与蝙蝠使用回声定位来感知环境的方式相同，UWB 脉冲可用于感知两个发射器之间的距离。脉冲持续时间越短，距离测量就越精确。UWB 实现了实时精度，因为它每秒发送多达 10 亿个脉冲（大约每纳秒 1 个）。

UWB的测距原理

1. 双向飞行时间法（TW-TOF,two way-time of flight）每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳 。模块A的发射机在其时间戳上的Ta1时刻发射请求性质的脉冲信号，模块B在Tb1时刻发射一个响应性质的信号，被模块A在自己的时间戳Tb2时刻接收。由次可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间，从而确定飞行距离S。S=Cx[(Tb2-Ta1)-(Tb1-Ta2)](C为光速)
2. TOF测距方法属于双向测距技术，它主要利用信号在两个异步收发机（Transceiver）之间飞行时间来测量节点间的距离。因为在视距视线环境下，基于TOF测距方法是随距离呈线性关系，所以结果会更加精准。我们将发送端发出的数据包和接收回应的时间间记为TTOT,接收端收到数据包和发出回应的时间间隔记为TTAT,那么数据包在空中单向飞行的时间TTOF可以计算为：TTOF=(TTOT-TTAT)/2

然后根据TTOF与电磁波传播速度的乘积便可计算出两点间的距离D=CxTTOF

TOF测距方法和两个关键侧约束：

1、发送设备和接收设备必须始终同步

2、接收设备提供信号的传输时间的长短

为了实现时钟同步，TOF测距方法采用了时钟偏移量来解决时钟同步问题。但由于TOF测距方法的时间依赖于本地和远程节点，测距精度容易受两端节点中时钟偏移量的影响。为了减少此类错误的影响，这里采用反向测量方法，即远程节点发送数据包，本地节点接收数据包，并自动响应，通过平均在正向和反向所得的平均值，减少对任何时钟偏移量的影响,从而减少测距误差。

UWB测距定位具有以下几种特点：

1. 系统容量大：带宽增加使信道容量的提高远远大于信号功率上升所带来的效应。
2. 传输数据快：根据香农公式，即使把发送信号功率拉到很低，也能实现较高的信息速率。通常情况下，其最大数据传输速度可以达到几百兆比特每秒到吉比特每秒。
3. 多径分辨能力强：因为其极高的工作频率和极低占空比，所以它的占空比很高。窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠，很容易分离出多径分量，因此能充分利用发射信号的能量。
4. 隐蔽性好：UWB的频谱较宽，能量密度较低，所以具有很高的安全性。另一方面，由于能量密度低，UWB设备对于其他设备的影响很低。
5. 定位精确：UWB具有很高的定位精度，它采用超宽带无线电通信，可在室内和地下进行精确定位，精度最高可达2厘米，一般精度在15厘米内。
6. 抗干扰能力强：UWB的占空比一般为01～0.001，具有比其他扩频系统高得多的处理增益，抗干扰能力强。一般来说，UWB抗干扰处理增益在50dB以上。
7. 低功耗:UWB系统结构简单，设备成本低。UWB使用间歇的脉冲来发送数据，信号无需载波，脉冲持续时间一般在20～1.5ns之间很短，有很低的占空因数，因此功耗很低，一般UWB系统只需要50～70mW的电源，功耗是蓝牙技术的百分之十。

因为UWB的技术优势，使其在测距定位场景中被广泛应用：

• 实现高精度的室内定位，利用超宽带脉冲信号进行定位，其时间域分辨率非常高，可以实现厘米级别的定位精度，这比其他定位技术如WIFI、蓝牙、RFID等要更加精准。可以用于车联网、室内导航、安防监控、人员实时定位等场景。

• 可以实现高速的数据传输，UWB室内定位技术使用超宽带信号进行通信和定位，具有高数据传输速率，可以实现Gbps级别的传输速率，这使得其在需要高速数据传输的场合下更具有优势。可以用于智能家居、智能医疗、智能办公等领域。

• 低功耗和抗干扰能力强，可以保证设备长时间稳定运行。在室内环境中，信号经常会遇到多径干扰问题，导致信号传输的不稳定性。但是UWB室内定位技术具有良好的抗多径干扰能力，能够减少信号干扰，从而提高定位的稳定性和精度。

• 系统容量大，可同时工作的标签多，容量高。UWB定位技术使用的带宽在1GHz以上，甚至可高达几个GHz，那么每发送一个UWB信号的持续时间就非常短了。带宽增加使信道容量的提高远远大于信号功率上升所带来的效应，这一点也正是提出超宽带技术的理论机理。

因此，因为UWB的这些优点，近年来被越来越多的汽车厂商选用作无钥匙定位系统。一方面可以用具有UWB功能的手机来作为汽车钥匙，免去消费者随身携带钥匙之苦。也可通过UWB数字钥匙提供更加丰富的与车主互动的features。

NXP推出的NCJ29D5就是其新一代超宽带(UWB)IC系列的第一款产品，专用于满足全球汽车业的连接和功能安全需求。UWB IC使汽车能够知道用户的确切位置，定位误差精确到厘米级别。基于智能手机的汽车接入首次提供与一流的遥控钥匙相同的便利性。用户将手机放在口袋或包中便能够打开和启动汽车，并通过智能手机享受安全的远程泊车服务。此外，新的UWB IC还可以最大限度地防止通过中继攻击盗车风险。

NCJ29D5芯片相关特性指标

NCJ29D5芯片为NXP针对汽车行业而开发的集成UWB芯片，典型应用为第三代数字车钥匙的应用。其主要特性包括：

• 符合 IEEE 802.15.4 HRP UWB PHY 标准
• 芯片上 MAC 固件，以减轻超宽带范围设置和会话控制
• 支持 SHF 超宽频带从 0 GHz 到5 GHz 的全球使用
• 中心频率 5 GHz 到0 GHz
• 可编程发射机输出功率高达 12 dBm 峰值
• 与 IEEE 802.15.4 相比，128 MHz PRF 模式使可用的平均 TX 功率加倍
• 优化短帧模式操作
• 全相干接收机的最大范围和精度
• 集成所有需要的射频元件(即 balun,TRX 开关)
• 供电电压 8 V ~ 3.6 V
• 低能源消耗
• 可配置的电流限制应用与硬币电池供应
• 数据速率 110 kbps (BPRF)， 850 kbps (BRRF)，8 Mbps (BPRF)，8 Mbps (HPRF)
• 支持双向测距
• IEEE 802.15.4z BPRF/HPRF 超宽带 PHY 协议草案，对抗 Cicada 和前导码注入攻击造成的远距离操纵
• 混乱时间戳序列 (STS) 生成兼容 NIST SP 800-90A
• 集成 I/Q 相位和振幅失配补偿
• 窄带干扰消除 (NBIC)，具有卓越的同通道干扰抑制能力
• XO 缓冲器，用于与其他设备共享 XTAL( 例如 UHF 或 BLE 收发器)
• 6mm x 6mm 40-pin QFN 包带 5 mm 铅间距和可湿性侧面
• 外部组件数量少
• ARM®Cortex-M33 32 位处理器 2 MHz
• ARM®AHB-Lite 总线矩阵和双主 NS-DMA 快速数据传输
• 256kbyte 非易失性内存
• 40 kByte RAM
• 96 kByte ROM
• ARM®TrustZone 技术和 S-DMA 安全
• 高级加密标准 AES (Advanced Encryption Standard)，具有 128 位密钥和 256 位密钥
• 具有 256 位、384 位和 512 位密钥的椭圆曲线密码 (ECC)
• 256 位的安全哈希算法 2 (SHA2-256)
• 安全接口(启用 GlobalPlatform 协议)
• 循环冗余校验 (CRC) 计算的协处理器
• 真随机数生成 (TRNG)
• SPI, UART 和 LIN 兼容接口
• 简化了定制应用程序的开发的 API
• 应用程序开发的几个计时器
• 低功耗唤醒计时器
• 看狗定时器
• 支持高精度外部温度传感器，精确的晶体温度漂移补偿
• 集成温度传感器用于晶体温度漂移补偿
• 通用 ADC 10 位

NCJ29D5是专为全球汽车业需求而设计的新一代UWB集成电路。与恩智浦连接和安全解决方案（如蓝牙、近场通信和安全元件（SE））相结合，该技术提供真正安全免手持智能门禁功能，支持汽车连接标准化。

随着该芯片的推出，恩智浦、宝马集团、大陆集团以及其他公司通过车联网联盟（CCC）和IEEE合作研究UWB部署事项，以确保在车辆、移动设备和消费者设备的交叉领域使客户获得最佳体验。所有的标准化工作旨在实现免手持智能门禁和其他基于UWB汽车定位用例的全球标准。

昂科作为NXP的全球第三方合作伙伴，支持了NXP包括经典的LPC系列、S12系列、Kinetis系列、PowerPC系列MCU，和汽车级S32系列MCU，以及最新的i.MX RT系列的量产化烧录。同时，也支持了NXP的各种可编程芯片，比如在汽车电子中广泛应用的PF、FS系列各种PMIC芯片，在电源行业应用的数字LCC+FPC控制器TEA2016/TEA2017，以及汽车电子的TPMS Sensor等等。当然，也包括NXP在汽车数字钥匙领域被广泛应用的NCJ20D5、NCJ29D6 UWB数字IC。

由于NCJ29D5内置一颗ARM®Cortex-M33 32 位处理器，同时也采用了 ARM® TrustZone技术和 S-DMA 安全技术。其高级加密标准 AES (Advanced Encryption Standard)，具有 128 位密钥和 256 位密钥；具有 256 位、384 位和 512 位密钥的椭圆曲线密码 (ECC)。是一款具有非常高安全等级要求的数字主控。昂科的量产化烧录算法开发也必须遵循NXP原厂的安全协议，并小心的处理每一步数字交互。

现在昂科已经支持了多个汽车电子客户的NCJ29D5的量产化烧录，并且NCJ29D5已经被加入到了昂科AP8000通用烧录平台的软件支持list中，在昂科官网下载最新版的烧录软件即可免费支持。

NCJ29D5烧录UI界面：

NXP凭借其最新的汽车超宽带芯片，这种精度使配备超宽带的汽车、手机和其他智能设备的空间感知能力得以实现，使汽车能够准确地知道用户在哪里。这意味着基于智能手机的汽车接入现在提供了与最先进的遥控钥匙相同的便利程度。用户可以打开并启动汽车，同时将手机放在口袋或包中，并通过智能手机享受安全的远程停车，而且还可以通过中继攻击对汽车防盗进行额外的保护。使用新的NCJ29D5芯片，现在可以在汽车侧使用UWB。有了超宽带，汽车可以检测到拥有智能手机的车主是如何接近汽车的，并且在汽车连通性联盟（car Connectivity Consortium）规定的特定距离内，可以认证并启用某些功能。例如，当距离8米左右时，它可以开启迎宾灯，当距离不到2米时，它可以打开汽车。这提供了真正的免提汽车接入，将智能手机变成了数字钥匙。

昂科技术自主研发的AP8000万用型烧录器包含主机，底板，适配座三大部分。

主机支持USB和NET连接，允许将多台编程器进行组网，达到同时控制多台编程器同时烧录的目的。内置芯片安全保障电路保证即使芯片放反或其他原因造成的短路可以被立即检测到并进行断电处理，以保障芯片和编程器安全。内嵌高速FPGA，极大地加速数据传输和处理。主机背部有SD卡槽，将PC软件制作得到的工程文件放到SD卡的根目录下并插入到该卡槽内，通过编程器上的按键可进行工程文件的选择，加载，执行烧录等命令，以达到脱离PC便可操作的目的，极大的降低了PC硬件配置成本，方便迅速地搭配工作环境。

AP8000通过底板加适配板的方式，让主机扩展性更强，目前已经支持了所有主流半导体厂家生产的器件，包括TI, ST, MicroChip, Atmel, Hynix , Macronix, Micron, Samsung ,Toshiba等。支持的器件类型有NAND,NOR,MCU,CPLD,FPGA,EMMC等，支持包括Intel Hex，Motorola S, Binary, POF等文件格式。