超寬頻(UWB)技術已經支援了汽車的進階功能，例如免鑰匙汽車門禁系統。除此之外，UWB技術具備良好的測距能力，因此也能輔助汽車艙內的雷達感應。比利時微電子研究中心(imec)研究團隊近期發布一款低功耗UWB晶片，採用創新脈衝成形機制來提升測距精度。
實現測距精度的重大改良
(承前文)採用imec開發的晶片設計所進行的實驗顯示，ToA偵測性能和UWB測距精度皆有效地獲得改善。
此次由發射器實現的性能改良(同時符合頻譜規範)如圖5所示。不論有無前兆脈衝，該脈衝混合電路及再同步電路都能維持-35dBc的旁瓣抑制，而在有前兆脈衝的情況下，主脈衝前緣的上升時間從700ps縮減為550ps。
圖5 包含及不包含前兆訊號的發射器輸出訊號及頻譜 (圖片來源：imec)
再者，一套針對ToA預測的影響進行研究的演算法顯示，具備前兆的脈衝在預估時間差的精度上提升了將近4倍。
當然，利用這項有關時間差預估的性能結果來考量整體測距性能時，必須注意測量確切ToA的各種限制。不過，此次取得的改良技術無疑大有用處，涉及了各種相關因素的組合，包含脈衝波形及接收器技術。
IR-UWB雷達系統展示
imec研究團隊已經採取下一步計畫，擴展了其創新的UWB收發器設計，並開發一套實驗性的IR-UWB雷達系統，以用來實現車內即時感測。這套系統在499.2MHz的頻寬下運行，以符合IEEE 802.15.4z的規範。該系統展示了三種具備發展潛力的車用案例，包含乘客即時偵測、車輛駕駛及/或前座乘客的呼吸頻率預測，以及(乘客)手勢偵測[5]。
模擬車內環境的展示裝置配置如圖6所示。經過設計策略考量，天線置於邊緣，傾向地面，並且更靠近駕駛座，使得天線的主瓣得以涵蓋兩側座位。乘客座及駕駛座(邊緣之間)的間距為45公分，天線的位置分別距離乘客座中央及駕駛座中央1.17公尺和1.7公尺。每根發射器及接收器天線以100公分的纜線連接到IR-UWB平台，該平台透過符合IEEE 802.15.4z規範的SP0封包，每10毫秒捕獲通道脈衝響應(CIR)。在進行解展(Despreading)及通道脈衝響應累加運算後，會以Tf為1奈秒的解析度來預測經過快速時變設定的擷取通道脈衝響應。該UWB平台最後會透過乙太網路線纜連接到筆電，而客製化的演算法會處理這些擷取的資料。
圖6 imec開發的示範裝置，採用全雙工單輸出單輸入(SISO)的單基地式IR-UWB雷達。雷達發射器向目標物發射光束，接收器則測量反射訊號 (圖片來源：imec)
針對相鄰且系統頻寬為499.2MHz的兩個目標物進行偵測，重點在於運用先進的訊號處理演算法。尤其是在車內環境時，駕駛及副駕駛座上的乘客彼此距離很近，為偵測帶來極大挑戰。imec研究團隊善用自身開發的客製化演算法，成功準確偵測上述兩位個體的所在位置，達到小於10-3的誤警機率。
研究人員也進行了兩種研究，以評估這套系統用來預測呼吸頻率的性能。在第一種情況下，其研究目標是驗證該系統在誤差為1bpm內預估呼吸頻率的準確度。參考元件搭配了一些感測帶來測量受試者的呼吸頻率，取得了呼吸頻率11.96bpm的量測記錄，而示範裝置預測的數值為11.71bpm，確定了系統精度落在理想的誤差範圍內。
接著是第二種情況，研究團隊的目標是展示該系統同步預測乘客及駕駛呼吸頻率的性能。團隊也成功做到這點，如圖7所示，可見從乘客及駕駛兩者身上擷取的呼吸訊號。但在過程中，研究團隊確實觀察到身體動作及目標物之間的干擾會導致測量失真，這也促使他們考慮開發特定的演算法來緩減這些因素對未來技術發展的影響。
圖7 從乘客及駕駛擷取的呼吸訊號，呼吸頻率分別為24.0bpm和28.2bpm (圖片來源：imec)
最後，演算法對車內偵測應用所預定義的手勢偵測也十分重要。imec團隊進行的研究顯示，其所設計的分類器能夠達到99.9%的超高準確度，正確地偵測出錯誤的手勢，偵測參考手勢的準確度也有90.5%。imec研究團隊表示，這些數據還能透過蒐集更多資料來進一步優化。因此，展望未來，該團隊計畫要收集更多資料，並定義更多的手勢，以強化人車介面所能進行的可能互動。
不過，目前來說，該團隊的研究已經大致上證實了這套IR-UWB雷達系統的有效性，展示其用來加強汽車安全及舒適程度的潛力，尤其是兒童遺留偵測。
(本文作者皆任職於imec)
參考資料
[5] 用於車內監測、符合IEEE 802.15.4z規範的IR-UWB雷達系統。本文發表於IEEE個人、室內和行動無線電通訊國際研討會（2023年9月）。
IR-UWB車內感測應用超展開 脈衝成形提升測距精度(1)
IR-UWB車內感測應用超展開 脈衝成形提升測距精度(2)
IR-UWB車內感測應用超展開 脈衝成形提升測距精度(3)