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没有苹果,UWB和mini-LED能火吗?

时间:2021-04-30 作者:邵乐峰 阅读:
现代意义上的超宽带UWB数据传输技术最早出现于1960年,主要用于军用雷达、定位和低截获率/低侦测率的通信系统中。而mini-LED是指尺寸在100μm量级的LED芯片,尺寸介于小间距LED(相邻灯珠点间距<2.5mm)与micro-LED之间,是小间距LED进一步精细化的结果。这两种神秘技术在苹果在2021春季发布会上被苹果推出后,会不会从“星星之火”烧成“燎原之势”?
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苹果在2021春季发布会上推出“千呼万唤始出来”的Airtag和“亮出新巅峰”的12.9英寸iPad Pro,一点也不让人感到意外。我们真正感兴趣的,反而是蕴含其中的两种“神秘”技术,以及依靠苹果强大的生态示范效应,是否能将其从“星星之火”烧成“燎原之势”。

脱胎换骨的UWB

苹果AirTag的广告语—“丢三落四这门绝技,要失传了”,道出了其中的秘密。

“如果你的AirTag就在附近,iPhone可以利用精确查找功能,指引你步步找到它。凭借超宽带技术,你甚至可以看到AirTag离得有多远,该朝哪个方向找。”

图片来源:Apple中国官网

  • “新”与“旧”

现代意义上的超宽带UWB数据传输技术最早出现于1960年,主要用于军用雷达、定位和低截获率/低侦测率的通信系统中。2002年,美国联邦通信委员会(FCC)正式将3.1GHz-10.6GHz频带作为室内通信用途的UWB开放,标志着UWB开始用于民用无线通信。中国从2006年开始进行UWB频谱规划的准备工作,2008年12月12日,中国自己的UWB频谱规划正式发布,包括UWB信号的射频指标、应用场所限制、设备核准等方面的内容。

但请记住,千万不要把当前基于802.15.4a/z标准的“新”UWB与过去基于802.15.3a标准的“旧”UWB混为一谈,这点非常重要。旧标准是在2000年左右专为短距高速率数据通信应用而设计的,作为USB/HDMI线缆的替代技术,但高成本、高功率和缺乏标准化成为该技术最终被抛弃的三大致命伤。而新UWB标准的制定则是在2004年启动,基于802.15.4a/z标准,其重点是能够提供厘米级的精确定位功能,同时实现高达27MB/s的数据通信。

其实早在苹果公司使用之前,“新”UWB技术就已经在40多个垂直领域(工业、汽车、消费)中的超过800万台设备上得到了部署,只不过苹果对该技术的背书在更大程度上推动了这些行业一线厂商的兴趣而已,这一点可能是不为大众所知的。

目前全球有FiRa和UWB联盟两大组织致力于积极拓展UWB生态系统。两者之间的区别在于UWB联盟的重点是保护/加强UWB在监管方面的权利(FCC/ETSI),努力实现一个开放的标准,包括Decawave在内的成员对此表示支持;而成立于2019年8月的FiRa则由恩智浦和三星推动,致力于定义关于免提访问控制、室内位置服务和“设备到设备”等应用的用例,在MAC和应用层(与BT SiG相同的模式)上开发互操作性规范、运行认证计划,并确保UWB的技术优势得到推广。

换句话说,FiRa更关注“精细测距的互操作性”,即通过利用可互操作UWB技术的安全精密测距和定位功能,不断推动从手机到物联网再到汽车的无缝用户体验的开发和广泛采用。成立至今,已经吸引到了包括三星、恩智浦、小米、OPPO、信通院、Assa Abloy、博世、HID、索尼、现代等多个业界重量级合作伙伴的支持和加入。

  • 用UWB做什么?

UWB能够以极高的可靠性(99%+)达到厘米级定位精度,Airtag正是利用了UWB的这一特性。其神奇之处来自两方面:

一是UWB采用了TOF(飞行时间)技术,距离由脉冲包的传播时间乘以光速来确定。根据FiRa联盟的说法,“UWB的脉冲陡而窄,传播速度极快,使得以更高确定性标记信号时序成为可能。即使设备之间的距离增加,UWB脉冲信号仍能保持准确性,并且在非视距(non-LoS)场景中表现出良好的弹性。”而且顾名思义,UWB具备500MHz的极高带宽,这也是实现高精度的关键——因为分辨率与带宽(BW)成反比(分辨率=1/BW)。

另一个关键优势是UWB技术空中交换数据包的持续时间非常短(10毫秒)。正是由于短数据包,所以UWB设备的能耗非常低,但更重要的,是能够让工程师设计出具有每秒高达100倍位置更新速率的应用,这对于高速物体(如无人机、机器人等)或需要在小区域内部署非常高密度设备的应用(如在工厂中定位10,000多个零部件)至关重要。

因此,当被用于消费领域时,UWB支持基于环境场景的用户界面,例如基于位置的远程指向及控制操控、多房间跟随扬声器、免提访问控制、借助随身机器人和机器人导航来实现消费型机器人技术。考虑到UWB现已应用于电话中,准确的位置数据将使人们能够轻松地在大型公共场所中使用导航,无论是要查找会议室还是在商店中搜寻特定商品,都非常便捷。

除了室内定位,汽车很可能成为智能手机采用UWB的另一大推动力,适用于车钥匙的智能门禁2.0的主要汽车厂商都在研究基于UWB的汽车钥匙,有手机制造商已经积极参与到UWB开发中。可穿戴设备也是UWB的目标市场之一,如果在儿童手表中加入UWB功能,能够将定位范围做到±3度、定位距离缩小到5-10厘米的精度。

但该技术自身固有的两大问题也需要尽快解决:一是功耗,在低功耗场景特别是电池供电的应用中,与蓝牙相比仍有一定的局限性;二是UWB的生态系统还未被真正培育出来,如何打通服务流程,如何产生更多的用例都是值得思考的。

  • 别误解UWB

恩智浦NFC读卡器解决方案高级经理Peter Pric此前专门撰文,解开了关于UWB的四个误解。

误解一,UWB仅能在短距离运行

这种误解可以理解,但它是不正确的。尽管从技术上说,与固定使用2.4GHz的蓝牙相比,UWB可以在6.5GHz到10GHz频率范围内运行。一般而言,频率越高,距离越短。但是,在视距条件下,UWB的工作范围可以延伸到100米,等同于国际足球场的长度。

误解二,UWB只是又一种连接技术

如前文所述,基于802.15.4a/z标准的UWB现在已经从数据通信演变为一种独特的安全精密测距脉冲无线电技术。因此,它更适合被归类到传感技术,能够更精确地定位对象(误差低至+/-10cm),并为产品技术带来空间和背景感知的新维度。

误解三,蓝牙与UWB有相当的“精密”优势

低功耗蓝牙和Wi-Fi使用接收器信号强度指示(RSSI)技术,依赖于在窄频带上传输的调制正弦波,更容易受到环境因素的影响(包括障碍物和来自其他无线电设备的干扰),造成信号功率严重衰减,导致准确性降低,进而产生数米的误差,这在物理上无法与UWB比拟。

误解四,UWB是一种小众化的技术

目前主要是Apple、Samsung和BMW三家大公司不断放出有关UWB强大移动接入和文件共享功能的消息,但他们对生态发展的影响力不可低估。而实际上,FiRa联盟已经列出了超过35个用例,包括室内GPS、凭证共享、访问控制、基于手势的控制和VR游戏、基于状态的设备激活……相信这一数字还会不断增加。

图片来源:NXP

走进mini-LED新时代

苹果在2021新款iPad Pro中采用了超过10000颗mini‑LED,尺寸比上一代产品小了120倍,搭配12.9英寸Liquid视网膜XDR屏,使得全屏亮度高达1000 尼特,峰值亮度高达1600尼特。同时,这10000多颗mini-LED又被划分为2500多个局部调光区。根据屏幕显示内容的不同,每个调光区都可以精确调节亮度,从而实现1000000:1的惊人对比度。

图片来源:Apple中国官网

mini-LED是指尺寸在100μm量级的LED芯片,尺寸介于小间距LED(相邻灯珠点间距<2.5mm)与micro-LED之间,是小间距LED进一步精细化的结果。作为当前显示行业的热点,虽然该技术仍处于发展的早期,但是未来庞大的潜在市场规模使之备受关注。 

  • mini-LED市场规模有多大?

根据Yole Développement的预测:到2023年,采用mini-LED的装置将高达8070万套。其中,车载mini-LED显示屏的出货量为3570万套,是增速最快的单一应用;mini-LED智能手机应用的出货量将达到2410万支,主要与OLED手机竞争;mini-LED还应用于中小型高附加值显示器领域,其出货量将达1450万台;mini-LED电视将出货640万台,有望在高端市场与OLED电视竞争。

mini-LED在《国际电子商情》《2021年十大热点应用趋势展望》一文中同样上榜。文章认为,mini-LED背光在显示上,相比LCD具备天然的局部调光优势,可显著增大显示画面的对比度,可在不牺牲亮度的情况下获得更高的效率,因此mini-LED背光也更易于制造满足HDR标准的显示器产品。另外,将mini-LED背光与QDEF(LCD量子点加厚薄膜)做结合,最终面板还能获得广色域的显色,最终获得可与OLED面板接近或媲美的画质。

在大尺寸面板领域,“mini-LED+LCD”的技术方案,被认为是对抗OLED阵营的重要武器。预计2021年,mini-LED出货量预计将增长近180%,而到2025年,搭载mini-LED面板的设备年总出货量将超4800万台,更多的电视、笔记本电脑和平板设备制造商将发布mini-LED背光的设备。LEDinside预估每年mini-LED背光显示器成本将以15~20%的幅度下降,在2022年将有机会低于OLED显示器,具备市场竞争力。

但mini-LED面临的首要问题,是会在很多领域与产业链相当成熟的OLED展开竞争。其次,目前mini-LED的成本还是相对较高,制造商需要在技术路线与成本规格当中进行平衡,以确保既降低成本又确保性能;第三,mini-LED在不同市场中的渗透率不尽相同,存在一定风险;最后,从技术角度来看,LED芯片制造、巨量转移、电极连接、驱动、拼接等方面仍然存在挑战。 

  • 与OLED、Micro LED的差异

OLED(Organic Light-Emitting Diode),又称为有机电激光显示、有机发光半导体。OLED无需背光灯,采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板(或柔性有机基板),当有电流通过时,这些有机材料就会发光。依驱动方式,OLED又可分为被动式(无源驱动,即PM-OLED)与主动式(有源驱动,即AM-OLED)两类。

Micro-LED技术,即LED微缩化和矩阵化技术。该技术可以让LED单元间距小于50微米,仅为普通LED的1%,并且与OLED一样,可实现每个图元单独定址和单独驱动发光。它的优势在于既继承了无机LED的高效率、高亮度、高可靠度及反应时间快等特点,又具有自发光无需背光源的特性,体积小、轻薄,还能轻易实现节能的效果。

IHS Markit数据显示,在过去两年里micro-LED的出货量还不到1000套。巨量转移环节与关键性设备是主要困难,预计2-3年以后才能突破量产瓶颈,2026年左右能看到定价下调:应用于智能手机的1.5英寸micro LED显示器的制造成本将降至当前的1/10,应用于电视的75英寸Micro LED面板的制造成本也会降到目前的1/5。

数据来源:炼金术资本

  • 量产落地

目前,苹果、TCL、海信、华硕、群创、友达、京东方等巨头纷纷推出mini-LED背光或类似技术的电视、显示器、VR和车载显示等终端产品,mini-LED正在迎来快速发展期。例如:2019年4月,湖北三安光电mini/micro-LED芯片项目签约,总投资额120亿元;2019年底,利亚德与晶电成立合资公司,累计投资预计不低于10亿元,主要研发和生产mini-LED背光显示、mini/micro自发光显示产品;国星光电目前mini-LED IMD-M09T规模量产,并推出了更小间距的IMD-M05;京东方在CES 2020期间就展示了mini-LED技术,玻璃基mini-LED背光及显示产品也在2020年下半年实现量产。

总体来看,mini-LED直显背光两相宜,将与OLED一起用于高端显示终端,并长期共存。各技术之间相互互补,激烈的竞争有望让消费者以更低的价格获得更好的显示效果。

责编:Luffy Liu

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邵乐峰
ASPENCORE 中国区首席分析师。
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