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無(wú)線設(shè)備工程師最近聽(tīng)到了很多關(guān)于超寬帶 （UWB） 的消息。今年早些時(shí)候，蘋(píng)果公司基于 UWB 的 AirTags 跟蹤和定位設(shè)備的高調(diào)發(fā)布引起了很多人的注意——如果不是 AirTags 本身，那么蘋(píng)果公司在其 iPhone 中偷偷地設(shè)計(jì)了一個(gè) UWB 收發(fā)器。安裝額外組件的空間是稀缺的。
蘋(píng)果找到了一種方法，毫無(wú)疑問(wèn)，它在其產(chǎn)品組合中對(duì) UWB 有更大的計(jì)劃。三星和許多汽車(chē)原始設(shè)備制造商同樣在 UWB 前沿樹(shù)立了自己的旗幟，而且還會(huì)有更多。
但是，UWB 目前正在獲得牽引力的測(cè)距、定位和汽車(chē)無(wú)鑰匙進(jìn)入應(yīng)用只是觸及了 UWB 短距離無(wú)線連接潛力的表面。要充分了解 UWB 的功能，請(qǐng)考慮其相對(duì)于藍(lán)牙的性能屬性，藍(lán)牙是我們自世紀(jì)之交以來(lái)事實(shí)上的短距離無(wú)線平臺(tái)。
與傳統(tǒng)藍(lán)牙相比，使用 UWB，無(wú)線設(shè)備設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)性能能力的巨大飛躍。隨著設(shè)計(jì)人員熟悉新的設(shè)計(jì)方法，這將帶來(lái)適度的學(xué)習(xí)曲線，而藍(lán)牙的普及使得許多設(shè)計(jì)人員在其整個(gè)職業(yè)生涯中一直在設(shè)計(jì)基于藍(lán)牙的無(wú)線設(shè)備。
然而，UWB 突破性的性能基準(zhǔn)使其物有所值。當(dāng)我們考慮 UWB 對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)考慮和工作流程的影響時(shí)，優(yōu)勢(shì)變得更加明顯。
有效負(fù)載大小和數(shù)據(jù)速率
根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用，使用 UWB 收發(fā)器的設(shè)計(jì)人員可能會(huì)遇到與他們習(xí)慣使用藍(lán)牙時(shí)截然不同的有效載荷大小和數(shù)據(jù)包速率?？紤]無(wú)線音頻應(yīng)用，幾十年來(lái)藍(lán)牙一直在抑制音頻質(zhì)量，其有損編解碼器將 CD 質(zhì)量的音頻從 1，411 kbps 壓縮到僅 300 kbps 的數(shù)據(jù)傳輸。
當(dāng)在 48kHz 采樣頻率下確定未壓縮的 16 位音頻信號(hào)的有效載荷時(shí)，UWB 以大約 2 Mbps 的速度提供此音頻信號(hào)，并考慮 20% 的開(kāi)銷以允許在需要時(shí)重新傳輸。對(duì)于針對(duì)具有 96kHz 采樣頻率的未壓縮音頻的高級(jí)音頻應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員而言，數(shù)據(jù)速率翻倍至 3.8 Mbps。這對(duì)于支持藍(lán)牙的無(wú)線音頻應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)是遙不可及的，實(shí)際上更類似于應(yīng)用 H.264 壓縮的視頻流速率。
重要的是在這里停下來(lái)，考慮一下由于藍(lán)牙固有的數(shù)據(jù)速率限制而從未嘗試過(guò)的許多可想象的高數(shù)據(jù)速率、短距離無(wú)線通信應(yīng)用，從而關(guān)閉了 UWB 支持的大量創(chuàng)新。
從電線（和電池）中解放出來(lái)
考慮許多仍然依賴物理線路的短距離通信應(yīng)用程序，以及有線通信所暗示的所有尺寸、重量、空間、成本和部署妥協(xié)。這些設(shè)備現(xiàn)在可以拔出，物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器提供了一個(gè)很好的例子，說(shuō)明這如何改變基于傳感器的應(yīng)用程序。
通常對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)傳感器，有效載荷可能只測(cè)量每幾毫秒傳輸?shù)膸讉€(gè)字節(jié)——10 到 100 kbps 的數(shù)據(jù)速率可能就足夠了。對(duì)于旨在用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)和智能基礎(chǔ)設(shè)施的下一代傳感器——在無(wú)數(shù)其他人工智能引導(dǎo)的商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用程序中——這樣的采樣率將遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以滿足人工智能永不滿足的數(shù)據(jù)需求。實(shí)時(shí)遙測(cè)的“始終在線”可用性將需要訪問(wèn)和處理可用的最新數(shù)據(jù)。
如今，板載藍(lán)牙芯片平均消耗整個(gè)傳感器功率預(yù)算的 80%，因此傳感器電池必須經(jīng)常充電或更換，這是一個(gè)時(shí)間和資源密集型的過(guò)程?；蛘撸鳛橐粋€(gè)重大妥協(xié)，傳感器根本無(wú)法連續(xù)發(fā)送其遙測(cè)數(shù)據(jù)，需要在較長(zhǎng)的時(shí)間間隔之間發(fā)送數(shù)據(jù)突發(fā)，從而破壞了“始終在線”的范式。正是由于這個(gè)原因，今天的許多傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然依賴于硬連線連接，即使在高性能無(wú)線連接取得了所有進(jìn)展之后。
對(duì)于將繼續(xù)以 10 至 100 kbps 數(shù)據(jù)速率提供服務(wù)的許多物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用，UWB 仍將被證明優(yōu)于藍(lán)牙。在 SPARK Microsystems 的 UWB 實(shí)施中，20% 或更少的傳感器功率預(yù)算由無(wú)線通信芯片消耗。根據(jù)設(shè)計(jì)人員使用傳感器的方式，這可以實(shí)現(xiàn)“設(shè)置后忘記它”的傳感器安裝，這些安裝可以運(yùn)行多年，然后電池耗盡成為問(wèn)題。由于 UWB 收發(fā)器消耗的功率如此之少，這也為未來(lái)的無(wú)電池傳感器打開(kāi)了大門(mén)，該傳感器僅由室內(nèi)環(huán)境光、甚至振動(dòng)或體熱供電。
無(wú)電池?zé)o線傳感器的出現(xiàn)同樣將成為一系列應(yīng)用領(lǐng)域的分水嶺，對(duì)邊緣傳感和人工智能產(chǎn)生重大影響。
測(cè)試和認(rèn)證
在美國(guó)，聯(lián)邦通信委員會(huì)于 2002 年授權(quán)在 3.1 到 10.6 GHz 的頻率范圍內(nèi)未經(jīng)許可使用 UWB，這使得 UWB 相對(duì)于窄帶具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢苑峙浜椭С秩绱舜蟛糠值臒o(wú)線電頻譜。
根據(jù) 2000 年代制定的發(fā)射法規(guī)，UWB 信號(hào)被定義為頻譜大于 500 MHz 的信號(hào)。大多數(shù)國(guó)家都同意 UWB 的最大輸出功率，定義為 -41.3 dBm/MHz，以避免干擾相鄰的無(wú)線通信。
UWB 測(cè)試和認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室可幫助設(shè)計(jì)人員利用既定協(xié)議驗(yàn)證其是否符合排放法規(guī)。UWB 和應(yīng)用專家也隨時(shí)準(zhǔn)備幫助設(shè)備設(shè)計(jì)人員輕松通過(guò)這些認(rèn)證。
藍(lán)牙和 UWB 的 RF 頻率和帶寬可能不同，但在一致性測(cè)試方面適用通用原則。今天使用 UWB 的設(shè)計(jì)人員已經(jīng)熟悉該過(guò)程——數(shù)值不同，但測(cè)量結(jié)果相同。
然而，將逐漸需要使用具有測(cè)量納安的靈敏度的測(cè)試設(shè)備。應(yīng)用到 UWB 的能效優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)比藍(lán)牙低 10 倍的功耗將需要執(zhí)行亞微安測(cè)量的能力，這證明了 UWB 驚人的低功耗，考慮到 UWB 實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率顯著提高。
天線設(shè)計(jì)優(yōu)化
借助當(dāng)今 2.4 GHz 的藍(lán)牙設(shè)備，數(shù)百個(gè)設(shè)備可能在任何給定時(shí)間相互發(fā)射，從而可能產(chǎn)生大量干擾。UWB 受益于目前相對(duì)不擁擠的頻譜。創(chuàng)新的設(shè)計(jì)技術(shù)有助于最大限度地減少與周?chē)O(shè)備的射頻沖突，并且 WiFi 可以在此頻譜中舒適地共存，而 WiFi 6 則位于低端 UWB 頻譜附近。這確保了 UWB 無(wú)線電可以在充滿藍(lán)牙和 WiFi 設(shè)備的房間中使用，幾乎沒(méi)有干擾。
在設(shè)備 T/R 天線層，藍(lán)牙無(wú)線電可以傳輸比 UWB 無(wú)線電高 1，000 到 1，000，000 倍的功率，由于發(fā)射限制，其輸出功率必須低得多。UWB 收發(fā)器必須對(duì)信號(hào)接收非常敏感，因?yàn)樗鼈儨y(cè)量的信號(hào)非常接近噪聲水平。因此，設(shè)計(jì)人員仍然面臨著優(yōu)化高效天線以獲得良好靈敏度的挑戰(zhàn)。
由于 UWB 頻率范圍如此之寬，因此在涉及天線層所采用的材料特性時(shí)也有些寬容。使用藍(lán)牙，材料特性的微小變化很容易導(dǎo)致超出預(yù)期頻率范圍；UWB 可以適應(yīng)材料的更多可變性，在信號(hào)的兩側(cè)利用額外的 100 MHz。同樣，BLE 天線的諧振頻率在人體附近很容易失諧，但 UWB 天線不受這種現(xiàn)象的影響。
毫無(wú)疑問(wèn)，天線設(shè)計(jì)被廣泛認(rèn)為是“巫術(shù)”是有原因的——它需要高度專業(yè)化的設(shè)計(jì)技術(shù)。眾所周知，天線周?chē)娜魏谓饘俣紩?huì)影響其性能，無(wú)論是與設(shè)備無(wú)關(guān)的還是固定在設(shè)備本身上的。藍(lán)牙對(duì)此不太敏感，因?yàn)樗梢栽诓贿`反法規(guī)的情況下傳輸更多能量。在任何一種情況下，產(chǎn)品中天線的位置和配置——無(wú)論是藍(lán)牙還是基于 UWB——都將是設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的問(wèn)題。
超寬帶是未來(lái)
所有上述 UWB 屬性將 UWB 區(qū)分為以前使用藍(lán)牙服務(wù)的個(gè)域網(wǎng) （PAN） 應(yīng)用程序的邏輯繼任者。除了定位和測(cè)距應(yīng)用，UWB 還將為未來(lái)幾代超高性能和極省電的無(wú)線音頻耳機(jī)、游戲耳機(jī)和外圍設(shè)備以及無(wú)數(shù)旨在用于未來(lái)的 AR/VR/MR/XR 設(shè)備奠定基礎(chǔ)元節(jié)。
業(yè)界從藍(lán)牙向以 UWB 為中心的短距離無(wú)線設(shè)備的轉(zhuǎn)變需要在設(shè)計(jì)和測(cè)試/認(rèn)證過(guò)程方面發(fā)生一些變化。但 UWB 可以釋放的創(chuàng)新為未來(lái)的無(wú)線設(shè)備設(shè)計(jì)和功能描繪了一個(gè)優(yōu)勢(shì)，從電線中解放出來(lái)，在某些情況下，從電池中解放出來(lái)。
審核編輯：郭婷
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