支援全新精準定位功能的無線技術正不斷擴展應用範例，其中包括需要更高等級安全性的例子。例如，在汽車產業，需要在汽車和遙控鑰匙之間進行安全的身分驗證。
這為超寬頻(UWB)技術創造了一個完美的時機來展示其相比於其他技術在定位、位置偵測和方向方面的獨特優勢，這些優勢使其能夠滿足更高的安全性需求。UWB非常適合支援兩個設備安全找到彼此並瞭解彼此在空間中的相對位置的應用。
UWB使用一種稱為飛行時間(ToF)的測距技術來啟用其安全的身分驗證方法。與透過訊號強度估算兩個設備之間距離的其他技術不同，ToF涉及發送和接收訊號，並根據完整發送/接收週期所需的時間計算距離。破解訊號強度測量結果相對容易，但時間幾乎不可能偽造。這種高度的安全性使UWB在當今具有重要意義。
三大UWB應用
UWB主要有以下三種應用案例。
存取控制：
將UWB嵌入遙控鑰匙等設備可以實現嚴格的進出存取控制，無論是進入安全的建築物還是汽車均是如此。使用UWB的系統可以估算10公分內的接近距離。訪問系統可以設置為僅當授權使用者在給定距離內時才允許訪問，任何未攜帶UWB設備的人員都將被自動拒絕進入。
．使用位置的服務：
精確接近度偵測支援使用位置的服務，例如利用使用者位置的室內空間導航和環境內容導航。當從一個房間移動到另一個房間時，系統會提供與每個房間相關的資訊。以博物館或辦公大樓為例，內部某個位置的具體資訊可輕鬆獲取。
．設備到設備通訊：
UWB允許設備安全地共用資訊，這可以與其定位功能相結合，將相關訊息從一個設備推送到另一個設備。
針對UWB測距，使用時間短、頻率寬的電子脈衝，因此得名超寬頻。本質上，一個UWB設備發出一個訊號，偵測到該訊號的設備發回一個回應訊號。這一過程稱為單邊測距或單邊雙向測距。透過測量發送訊號(Ping)和接收答覆(Pong)之間的時間，發送設備可以精確計算出二者之間的距離(圖1)。
圖1 超寬頻(UWB)設備通過測量發送訊號(Ping)和接收答覆(Pong)間的時間，可精確計算出二者之間的距離
在某些情況下，發送設備會在收到答覆後發送另一個訊號，這樣兩個設備便都可以測量時間。這種稱為雙邊雙向測距的技術為定位增加了第二層安全性和高精度。
至關重要的UWB品質測試
在評估UWB設備性能時，有三方面的測量十分重要。
．安規：
UWB訊號與許可頻譜重疊，因此務必驗證設備是否違反國家頻譜管理機構制定的法規。雖然絕對發射器功率和功率頻譜範本是主要的監管指標，但設備性能中的其他因素也可指示設備是否滿足功率範本要求，這包括發射器校準和測試脈衝形狀。設備發射的功率越高，洩漏到所需通道之外的能量就越多，並且可能干擾相鄰設備，甚至違反許可頻段。掩碼是指設備防止由於發射器的雜散或線性性能而導致訊號洩漏的能力，同時功率輸出會影響最終設備的工作範圍。良好的校準可大幅提高功率，提供有效的頻譜掩碼性能。
．互通性：
UWB互通性的一個關鍵指標是頻率精度。無線設備使用調諧電容來調整決定廣播頻率的晶振。如果此調諧未正確完成，則會導致載波頻率偏移(CFO)或頻率誤差。簡而言之，這意謂著該設備與其他設備的工作頻率並不完全相同。如果CFO較小，設備將能夠進行通訊，但測距測量會存在誤差。如果CFO很大，則調諧不當的設備可能根本無法與其他設備通訊。頻率校準是確保設備互通性的關鍵部分。以實際案例來說，在兩個定位設備本身之間若存在1PPM的頻率偏移，大約會造成1公尺左右的定位精度誤差。藉由傳導式的頻偏校準，可以補償石英震盪器的頻偏造成實際的定位誤差，同時可節省選用高精度石英震盪器而造成的成本增加。另一種工具是一種稱為歸一化均方誤差(NMSE)的測量，用於比較待測物所發射的脈衝訊號與參考脈衝訊號的相異程度，它會捕捉系統中的幾種不同效果並提供匯總測量(關聯到阻抗匹配、濾波效應、群延遲等)。
．飛行時間：
關於校準ToF，有兩種觀點。一種觀點是在印刷電路板級校準系統，並假定所連天線的無線性能將處於窄容差範圍內。藉由外部儀表模擬高精度定位的過程並且將天線端口後端的延遲補償，可以讓系統估算出印刷電路板所造成的延遲量測出來並且回填在晶片內部補償實際量測的誤差。另一種方法是測試所裝配的設備，並使用其實際無線性能(OTA)校準ToF。運用類似的方法可以估算系統結合不同天線在不同方位所造成的延遲。每種方法均有效，但此處的要點是系統中有許多不同的元件和變化來源。目標是大幅減少變化，達到UWB可提供的定位精度。在實際的驗證中，兩種校準方法可以補償印刷電路板(圖2)所造成約500皮秒以及天線造成約300皮秒的延遲，換算成實際精度可以補償約15公分的誤差，不同的天線與板材電路的布局，造成的延遲會因為各種條件影響有所不同。
圖2 優化超寬頻天線延遲校準
三角測量與對等模式
UWB可採用兩種工作模式：三角測量模式和對等模式。三角測量需要在環境中放置一系列「錨點」設備，以供UWB標籤設備用來比較其相對於多個錨點的位置。對等操作允許兩個設備直接通訊，而毋需在環境中放置錨點設備。對等操作要求裝置能夠確定距離和方向。距離透過ToF得出，方向透過到達角(AoA)確定。AoA要求設備至少有兩個天線。AoA確定不同天線在偵測傳入訊號時彼此之間的時間(或相位)差。憑藉該時間(或相位)差提供的資訊，設備便能夠運算訊號傳入的角度(圖3、4)。 致力於推動UWB標準化的FiRa聯盟成立於2019年，該組織尋求將產業專家和產品專家凝聚在一起來開發生態系統，使UWB產品能夠實現互通性並且彼此無縫協作。在過去的一年裡，會員數量急劇增加。該聯盟將啟動一項認證計畫，以確保設備符合FiRa規範的互通性要求。這項認證計畫將涵蓋物理層功能(PHY)和介質存取控制(MAC)的一致性測試應用案例。
圖3 飛行時間可得出方向並確定到達角(AoA)，而AoA運作模式要求設備至少有兩個天線，以確定不同天線之間的時間差
圖4 接收器憑藉時間或相位差提供的資訊，設備便能夠計算訊號傳入的角度
認證意謂著設備已在獨立授權測試實驗室(ATL)進行測試，並在經過嚴格測試後被證實符合FiRa規範。這可讓製造商和使用者高度確信該設備可與其他設備實現互通。
有廠商如LitePoint的UWB測試系統包括硬體和軟體，可啟用預程式設計的測試腳本來大幅測試特定晶片。LitePoint的IQgig-UWB是一款經過FiRa驗證的全整合系統，專為UWB PHY層測試而設計。提供適用於UWB晶片模組和設備製造商的一站式測試解決方案，包括FiRa PHY一致性自動化解決方案，非常適合實驗室或量產環境、支援UWB的模組和最終產品以及支援UWB的汽車、行動、資產跟蹤或醫療保健設備。IQfact+是一種使用軟體、適用於晶片模組製造商的一站式校準解決方案，支援包括UWB在內的所有關鍵無線連接技術。
協助UWB實現精準定位
UWB技術為存取控制、使用位置的服務和設備到設備通訊十分重要的各種設置提供了強大的功能。然而，在最終應用中實現的實際性能取決於能否確保關鍵射頻參數滿足高精度要求。這些關鍵測量參數旨在確保設備符合監管指南和互通性要求，並提供良好的用戶體驗。從測試的角度來看，校準UWB設備的頻率和發射器功率至關重要。需要精確的飛行時間和到達角測量來驗證UWB設備可提供的公分級精度。
(本文作者Adam Smith為LitePoint市場行銷協理；趙偉清為LitePoint應用工程部經理)