汽车电子数字钥匙设备的超带宽（UWB）技术

在汽车智能化程度越来越高的今天，汽车防盗系统也在不断发生改变。就像车钥匙，近几年出现了很多不同于经典钥匙的存在形式，支持手机实现钥匙功能的车型也越来越多。本文将会带你来展望未来车钥匙及防盗系统的改变。

随着汽车电子近年来的发展，我们总能在车上见到很多实用抑或炫酷的功能。而在这其中，一把炫酷的车钥匙肯定是那个能第一时间吸引人们眼球的配件。通过这些年的发展，多种形态和多种功能的车钥匙不断出现，我们可以看到像手环钥匙和带屏钥匙等不同类型的钥匙越来越多。当然这些车钥匙也不仅仅只是车钥匙，还附加了很多以前车钥匙不具备的功能，例如自动寻车、远程控制、遥控泊车等，智能钥匙的概念也就这样应运而生。

随着前几年在宝马液晶钥匙和捷豹手环钥匙问世，国内自主品牌像吉利和奇瑞等车厂跟随潮流推出了类似的产品。在这种趋势下，在汽车钥匙上扩充的功能也越来越多，例如要在炎热的夏日里，在车外用钥匙就把车窗降下并车内的空调打开通风降温；在寒冷的冬季，可以提前启动发动机对车进行预热；在停车状态下如果胎压不足马上给出警示；车辆长时间停放电瓶低了及时发出提醒等。这样以来车钥匙就变的越来越复杂，当然成本就会越来越高。

在这么多需求逐渐增多的情况下，单单一把钥匙是很难承载的。于是我们发现在近些年车联网的基础上，手机更多的实现了与汽车的互联，逐渐都实现了前面提到的这些功能，有一些车厂已经开放了手机解锁甚至启动发动机功能。这样来看手机替代钥匙已经是理所当然了，但实际上手机确实逐渐实现更多与汽车交互的功能，但传统的钥匙目前还没有见要被替代的情况，这是怎么回事呢？

总体来说，主要是功能和安全性两方面的原因。对于传统钥匙而言，在成熟的低频和射频无线通信技术非常成熟的今天，无钥匙进入以及一键启动（PEPS）的功能已经逐渐普及在乘用车上。这极大的提高了驾驶者的实际体验。而手机目前还只能实现遥控钥匙（RKE）的功能，自然体验有差距。另外一方面如果现在使用手机完全替代钥匙，安全性还是不能得到十足保障的，手机依然会有被病毒或者网络攻击的风险。而钥匙由于未连接互联网，同时具备特有的加密方式，使得安全性得以保障。

然而有些小伙伴们会追问，那么 10 年后车钥匙又会是怎样？既然手机都逐渐实现了钥匙的功能，车钥匙还会存在么？

其实这个问题不只是各个汽车厂商在考虑，半导体厂商也已经在布局了。前面提到，目前成熟的汽车防盗系统主要采用 RF(434MHz)和 LF(125KHz)无线通信技术，RF 主要用于远距离钥匙与车辆通信，LF 用于近距离车辆与钥匙通信并判断钥匙距离及方位。而目前手机控车主要是用低功耗蓝牙(BLE)或者 4G 与车辆连接，目前不便实现判断手机所在方位和距离的功能。但在不久的将来，这一切将会改变。

NXP（恩智浦）作为在汽车防盗方面独占鳌头的半导体厂商，已经给我们勾勒出了未来汽车防盗的演变过程。就像图 2 中所呈现的那样，汽车防盗的发展一共会呈现三个阶段，即只有单纯车钥匙阶段、车钥匙与手机（包含移动设备）并存阶段、车钥匙与移动设备包括手机融合（数字钥匙）阶段。

目前我们基本上处于第一和第二个阶段之间。近两年虽然很多上市汽车的已经可以利用 BLE 和 4G（5G）与钥匙互联，但目前新发布的汽车还有很多并不支持 NFC。这样如果手机没电了，就没有可供备用的开门以及启动汽车的方式了，但传统车钥匙还有机械钥匙和 IMMO 可以在无电时使用。由此来看手机和测量 NFC 功能普及后，整个应用场景才能更充分。

要解决前面提到的手机及移动设备的安全，必然要针对现有的 BLE、NFC、4G（5G）在汽车防盗应用上统一相关的标准。当然这就不仅仅涉及汽车厂与半导体厂，还有手机等智能移动终端公司和企业。于是在这样的大潮下，全球车联联盟 Car Connectivity Consortium（简称 CCC）便作为带头大哥出现了。CCC 组织在 2018 年下半年发布了汽车数字汽车防盗钥匙 NFC 标准第 1 版，2019 年秋天发布了数字汽车钥匙标准第 2 版，据了解后面还会发布包含 BLE 和 UWB 标准的第 3 版。

从 NXP 和 CCC 了解的情况来看，对于未来数字钥匙的描绘是钥匙的实体将会逐渐消失，而手机、可穿戴设备、智能卡等将成为实现钥匙功能的载体。于此同时，在得到车主授权的情况下，数字钥匙可以被授权给多个智能设备亦或是他人的设备进行使用，当然可被授权的设备需要满足对应功能且可以遵循相关标准规范才可以。

未来支持数字钥匙的设备需要都需要具备什么功能呢？

首先就是上面提到的 NFC，当然要想实现类似经典 PKE 功能的话，还需要低功耗蓝牙（BLE）和超宽带（UWB）技术。

这里我们简单介绍下超带宽（UWB）技术。

UWB 为一种无线载波通信技术，通信频段在 3.1 至 10.6GHz 之间。它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。因此其信道所占的频谱范围很宽，一般为 500MHz 及以上，由此数据传输速率可以达到几百兆比特每秒。

纳秒级的冲激脉冲具有很高的定位精度。采用 UWB 技术，可以将定位与通信合一。UWB 技术具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而 GPS（https://baike.baidu.com/item/%E5%85%A8%E7%90%83%E5%AE%9A%E4%BD%8D%E7%B3%BB%E7%BB%9F/1240960" /t "_blank 全球定位系统）只能工作在其定位卫星的可视范围之内。与 GPS 提供绝对地理位置不同，超宽带无线电定位器是给出相对位置，其定位精度可达 10cm 以内。

当然以上技术在汽车上也要具备。也就是说在后面的几年里，车身的防盗系统组成也将逐渐改变，总体的组成框图大致如下：

我们可以看到除了 BCM 以外，这个系统由 NFC+BLE+UWB 组成。其相对于目前经典汽车防盗系统来看是全新的，已经没有了 RF(434MHz)和 LF(125KHz)。从这个系统的组成可以预测，BLE 后面将会替代 RF 实现远距离遥控功能；UWB 将会替代 LF 用作近距离通信以及测距定位；NFC 将会替代 IMMO 用于近距离（10cm）解锁和开启发动机（可无电使用）。

作为汽车半导体的领头羊，NXP 已经给出了整体系统级解决方案，由 S32K14x（BCM）+KW35/6（BLE）+NCJ29D5（UWB）+NCF33x0（NFC）组成。S32K 系列汽车级 MCU 已然是业界的当红小生，之前已经详细介绍过，这里就不再赘述。我们重点介绍下 KW35/6、NCF33x0 和 NCJ29D5。

BLE 芯片 KW35/6 的特点如下：

• 汽车级 BLE 5.0 芯片，最高工作温度 105℃；
• Cortex M0+内核，主频最高可达 48MHz；512KB Flash，64KB RAM；

最多可支持 8 个 BLE 组网；

• 最大 3.5dBm 发射强度；接收灵敏度可达 -95dBm；
• KW36 带有 CAN（CAN FD）和 LIN 接口；
• 两种封装可选：6×6mm QFN40；7×7mm QFN48；
• NFC 读写卡芯片 NCF3320、NCF3340 的特点如下：
• 汽车级非接触式通信的独立 NFC 前端芯片，最高工作温度 105℃；

支持的协议有：

• ISO/IEC 14443 A&B R/W support
• FeliCa R/W support
• R/W support for MIFARE 1K, 4K
• R/W support for ISO15693 / 18000-3
• 支持 3V 至 5.5V 电源供电 ，RF 驱动电流最大 350mA;
• 具备增强的低功耗寻卡模式；
• 具有专用的中断 IRQ 输出引脚；
• 提供通用的和免费软件库便于平台开发(NCF3340 内集成库)；
• NCF3340 为 HVQFN40 封装；NCF3320 为 HVQFN32；

UWB 芯片 NCJ29D5 的特点如下：

• 汽车级 UWB 专用收发芯片，最高工作温度 105℃；
• 满足 IEEE Std 802.15.4?标准；支持频段 6.0 GHz to 8.5 GHz；
• 支持数据通信速率 110kbps，850kbps，6.8Mbps，7.8Mbps；
• Cortex M33 内核，256KB Flash，32KB RAM；
• 支持 1.8V 至 3.6V 电源供电；最大峰值脉冲发射强度 12dBm；
• 支持 AES128/256、SHA2-256 加密算法；
• 6mm x 6 mm QFN40 封装；

很多小伙伴应该知道华为高端手机 Mate 和 P 系列已经可以利用 NFC 来作为奥迪及宝马部分车型的钥匙。而去年 iPhone11 发布时虽然没有黑科技满满，但是增加的 UWB 功能依然吸睛无数。其实更多的汽车和手机厂商已经投入到这场大潮里。除了我们现在想到的，数年后的“数字钥匙”也一定会实现许多更强大、更新奇的功能。也许要不了 10 年，我们真的就见不到“车钥匙了”。

编辑：hfy