無線設(shè)備工程師最近聽到了很多關(guān)于超寬帶（UWB）的信息。今年早些時候，蘋果高調(diào)推出的基于UWB的AirTags跟蹤和定位設(shè)備引起了很多人的注意 - 如果不是因?yàn)锳irTags本身，那么蘋果公司秘密地在其iPhone中設(shè)計(jì)了一個UWB收發(fā)器，其中可用的空間來容納額外的組件是稀缺的。

蘋果找到了一種方法，毫無疑問，它在其產(chǎn)品組合中對UWB有更大的計(jì)劃。三星和許多汽車原始設(shè)備制造商同樣在UWB前沿插上了他們的旗幟，更多的人將緊隨其后。

但是，UWB目前獲得牽引力的測距、定位和汽車無鑰匙進(jìn)入應(yīng)用只是觸及了UWB短距離無線連接潛力的表面。要充分了解UWB的功能，請考慮其相對于藍(lán)牙的性能屬性，藍(lán)牙是我們自世紀(jì)之交以來事實(shí)上的短程無線平臺。

與傳統(tǒng)藍(lán)牙相比，借助 UWB，無線設(shè)備設(shè)計(jì)人員可以在性能方面實(shí)現(xiàn)巨大飛躍。隨著設(shè)計(jì)人員熟悉新的設(shè)計(jì)方法，這將帶來適度的學(xué)習(xí)曲線，而藍(lán)牙的普遍存在使得許多設(shè)計(jì)人員在整個職業(yè)生涯中都在設(shè)計(jì)基于藍(lán)牙的無線設(shè)備。

然而，UWB的突破性性能基準(zhǔn)使其值得。當(dāng)我們考慮UWB對設(shè)備設(shè)計(jì)考慮因素和工作流程的影響時，優(yōu)勢變得更加明顯。

有效負(fù)載大小和數(shù)據(jù)速率

根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的不同，利用 UWB 收發(fā)器的設(shè)計(jì)人員可能會遇到與他們習(xí)慣的藍(lán)牙截然不同的有效負(fù)載大小和數(shù)據(jù)包速率。考慮無線音頻應(yīng)用，其中藍(lán)牙幾十年來一直使用有損編解碼器將 CD 質(zhì)量的音頻從 1，411 kbps 壓縮到僅 300 kbps 的數(shù)據(jù)傳輸，從而扼殺音頻質(zhì)量。

在以 48kHz 采樣頻率確定未壓縮的 16 位音頻信號的有效負(fù)載時，在立體聲中，UWB 以大約 2 Mbps 的速度提供此音頻信號，并考慮了 20% 的開銷，以便在需要時允許重新傳輸。對于針對具有 96kHz 采樣頻率未壓縮音頻的高級音頻應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員來說，數(shù)據(jù)速率翻倍至 3.8 Mbps。這對于支持藍(lán)牙的無線音頻應(yīng)用程序來說遙不可及，實(shí)際上更類似于應(yīng)用 H.264 壓縮的視頻流速率。

重要的是要在這里停下來，考慮許多可以想象的高數(shù)據(jù)速率，短距離無線通信應(yīng)用，由于藍(lán)牙固有的數(shù)據(jù)速率限制，這些應(yīng)用從未嘗試過，關(guān)閉了UWB實(shí)現(xiàn)的大量創(chuàng)新。

從電線（和電池）中解放出來

考慮許多仍然依賴物理電線的短程通信應(yīng)用程序，這些應(yīng)用程序具有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)在可以拔掉插頭，物聯(lián)網(wǎng)/IIoT傳感器提供了一個很好的例子，說明如何改變基于傳感器的應(yīng)用。

通常，對于物聯(lián)網(wǎng)傳感器，有效載荷可能每幾毫秒僅測量傳輸?shù)膸讉€字節(jié) - 10到100 kbps的數(shù)據(jù)速率可能就足夠了。對于針對自動駕駛汽車和智能基礎(chǔ)設(shè)施的下一代傳感器 - 以及無數(shù)其他人工智能引導(dǎo)的商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用程序 - 這樣的采樣率將不足以滿足人工智能永不滿足的數(shù)據(jù)需求。需要實(shí)時遙測的“始終在線”可用性才能訪問和處理最新的可用數(shù)據(jù)。

如今，板載藍(lán)牙芯片平均消耗整個傳感器功率預(yù)算的 80%，因此必須經(jīng)常充電或更換傳感器電池，這是一個時間和資源密集型過程。或者，作為一個重大折衷方案，傳感器根本無法連續(xù)發(fā)送其遙測數(shù)據(jù)，需要在較長的時間間隔之間發(fā)送突發(fā)數(shù)據(jù)，從而打破了“始終開啟”的范式。正是出于這個原因，當(dāng)今的許多傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然依賴于硬連線連接，即使在高性能無線連接方面取得了所有進(jìn)展之后。

對于將繼續(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 仍將證明比藍(lán)牙更具優(yōu)勢。在SPARK Microsystems的UWB實(shí)現(xiàn)中，無線通信芯片消耗了20%或更少的傳感器功率預(yù)算。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)置并忘記它”的傳感器安裝，這些傳感器在耗盡的電池成為問題之前運(yùn)行多年。由于UWB收發(fā)器消耗的功率如此之少，這也為無電池傳感器的未來打開了大門，這些傳感器僅由室內(nèi)環(huán)境光供電，甚至振動或體溫。

無電池?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，對邊緣傳感和人工智能產(chǎn)生重大影響。

測試和認(rèn)證

在美國，聯(lián)邦通信委員會于2002年授權(quán)在3.1至10.6 GHz的頻率范圍內(nèi)未經(jīng)許可使用UWB，鑒于UWB在如此大部分無線電頻譜上的分配和支持，UWB比窄帶更具優(yōu)勢。

根據(jù) 2000 年代制定的發(fā)射法規(guī)，UWB 信號被定義為頻譜大于 500 MHz 的信號。大多數(shù)國家已經(jīng)商定了UWB的最大輸出功率，定義為-41.3 dBm/MHz，以避免干擾相鄰的無線通信。

UWB 測試和認(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)證其對排放法規(guī)的合規(guī)性。UWB和應(yīng)用專家同樣隨時準(zhǔn)備幫助設(shè)備設(shè)計(jì)人員輕松通過這些認(rèn)證。

藍(lán)牙和 UWB 的射頻頻率和帶寬可能不同，但在一致性測試方面適用共同原則。如今使用 UWB 的設(shè)計(jì)人員已經(jīng)熟悉了該過程 – 數(shù)值不同，但測量結(jié)果相同。

然而，將逐漸需要使用具有靈敏度的測試設(shè)備來測量納安。應(yīng)用于 UWB 以實(shí)現(xiàn)比藍(lán)牙低 10 倍的功耗的能效優(yōu)化將需要能夠執(zhí)行亞微安級測量，考慮到 UWB 支持的數(shù)據(jù)速率大幅提高，這證明了 UWB 驚人的低功耗。

天線設(shè)計(jì)優(yōu)化

如今支持藍(lán)牙的設(shè)備頻率為 2.4 GHz，數(shù)百臺設(shè)備在任何給定時間都可能相互發(fā)射信號，從而可能產(chǎn)生大量干擾。UWB受益于目前相對不擁擠的頻譜。創(chuàng)新的設(shè)計(jì)技術(shù)有助于最大限度地減少與周圍設(shè)備的射頻碰撞，WiFi可以在這個頻譜中舒適地共存，以及位于低端UWB頻譜附近的WiFi 6。這確保了 UWB 無線電可以在充滿藍(lán)牙和 WiFi 設(shè)備的房間中使用，幾乎沒有干擾。

在設(shè)備 T/R 天線層，藍(lán)牙無線電可以傳輸比 UWB 無線電多 1，000 到 1，000，000 倍的功率，由于輻射限制，輸出功率必須低得多。UWB收發(fā)器必須對信號接收非常敏感，因?yàn)樗鼈儨y量的信號非常接近噪聲水平。因此，設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)仍然是優(yōu)化高效天線以獲得良好的靈敏度。

由于UWB頻率范圍非常寬，因此在天線層采用的材料特性方面也有些寬容。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)材料的更多變化，在信號的兩側(cè)利用額外的一百M(fèi)Hz。同樣， BLE天線的諧振頻率很容易在人體附近失諧， 但UWB天線不受這種現(xiàn)象的影響。

毫無疑問，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，天線周圍的任何金屬片都會影響其性能，無論是與設(shè)備無關(guān)的還是固定在設(shè)備本身上的。藍(lán)牙對此不太敏感，因?yàn)樗梢栽诓贿`反法規(guī)的情況下傳輸更多能量。無論哪種情況，天線在產(chǎn)品中的位置和配置（無論是基于藍(lán)牙還是基于UWB）仍將是設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的問題。

UWB是未來

上述所有 UWB 屬性使 UWB 成為以前使用藍(lán)牙服務(wù)的個人局域網(wǎng) （PAN） 應(yīng)用程序的邏輯繼承者。除了定位和測距應(yīng)用外，UWB 還將為未來幾代超高性能和極高能效的無線音頻耳機(jī)、游戲耳機(jī)和外圍設(shè)備以及無數(shù)旨在用于未來元宇宙的 AR/VR/MR/XR 設(shè)備奠定基礎(chǔ)。

行業(yè)從藍(lán)牙到以 UWB 為中心的短距離無線設(shè)備的轉(zhuǎn)變在設(shè)計(jì)和測試/認(rèn)證流程方面帶來了一些視角變化。但是，UWB可以釋放的創(chuàng)新為未來的無線設(shè)備設(shè)計(jì)和功能描繪了優(yōu)勢，從電線中解放出來，在某些情況下，從電池中解放出來。

審核編輯：郭婷