無線設(shè)備工程師聽到了很多關(guān)于超寬帶（UWB）的消息。今年早些時(shí)候，蘋果公司基于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，那么蘋果悄悄地在其iPhone中設(shè)計(jì)了一個(gè)UWB收發(fā)器，而可用的空間來容納其他組件是稀缺的。

蘋果找到了一種方法，毫無疑問，它在其產(chǎn)品組合中對(duì)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邊境上插上了旗幟，還有更多的人將效仿。

但是，UWB目前正在獲得牽引力的測(cè)距，定位和汽車無鑰匙進(jìn)入應(yīng)用只是觸及UWB在短距離無線連接方面的潛力的表面。為了充分了解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)之交以來事實(shí)上的短程無線平臺(tái)。

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)與傳統(tǒng)藍(lán)牙相比的巨大飛躍。隨著設(shè)計(jì)人員熟悉新的設(shè)計(jì)方法，這將帶來適度的學(xué)習(xí)曲線，而藍(lán)牙無處不在，以至于許多設(shè)計(jì)人員在整個(gè)職業(yè)生涯中一直在設(shè)計(jì)基于藍(lán)牙的無線設(shè)備。

但是，UWB的突破性性能基準(zhǔn)使其值得。當(dāng)我們考慮UWB對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)考慮因素和工作流程的影響時(shí)，其優(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，利用 UWB 收發(fā)器的設(shè)計(jì)人員可能會(huì)遇到與他們習(xí)慣的藍(lán)牙截然不同的有效負(fù)載大小和數(shù)據(jù)包速率。以無線音頻應(yīng)用為例，藍(lán)牙幾十年來一直通過有損編解碼器扼殺音頻質(zhì)量，這些編解碼器將 CD 質(zhì)量的音頻從 1，411 kbps 壓縮到僅 300 kbps 的數(shù)據(jù)傳輸。

在以 48kHz 采樣頻率（立體聲）調(diào)整未壓縮的 16 位音頻信號(hào)的有效負(fù)載時(shí)，UWB 以大約 2 Mbps 的速度提供此音頻信號(hào)，并考慮 20% 的開銷，以便在需要時(shí)進(jìn)行重新傳輸。對(duì)于以96kHz采樣頻率提供未壓縮音頻的高級(jí)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。對(duì)于支持藍(lán)牙的無線音頻應(yīng)用程序來說，這是遙不可及的，實(shí)際上更類似于應(yīng)用H.264壓縮的視頻流速率。

重要的是要在這里停下來，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的許多可以想象的高數(shù)據(jù)速率，短程無線通信應(yīng)用，從而關(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

考慮一下許多仍然依賴物理線路的短距離通信應(yīng)用程序，它們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(gè)很好的例子，說明它如何改變基于傳感器的應(yīng)用。

通常對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)傳感器，有效載荷可能每隔幾毫秒僅測(cè)量幾個(gè)字節(jié) - 10到100 kbps的數(shù)據(jù)速率可能就足夠了。對(duì)于用于自動(dòng)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 - 像這樣的采樣率將遠(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“始終打開”可用性需要訪問和處理最新的可用數(shù)據(jù)。

目前，板載藍(lán)牙芯片平均消耗了整個(gè)傳感器功率預(yù)算的80%，因此必須頻繁地為傳感器電池充電或更換，這是一個(gè)耗時(shí)和資源密集型的過程?；蛘?，作為一種重大妥協(xié)，傳感器根本無法連續(xù)發(fā)送其遙測(cè)數(shù)據(jù)，并且需要在很長的時(shí)間間隔之間發(fā)送突發(fā)數(shù)據(jù)，從而打破了“始終開啟”的模式。正是出于這個(gè)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的所有進(jìn)展之后也是如此。

對(duì)于許多將繼續(xù)以10至100 kbps數(shù)據(jù)速率提供服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用，UWB仍將比藍(lán)牙更具優(yōu)勢(shì)。在SPARK微系統(tǒng)的UWB實(shí)現(xiàn)中，無線通信芯片消耗的傳感器功率預(yù)算的20%或更少。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，這些傳感器安裝可以在電池耗盡成為問題之前運(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)境光甚至振動(dòng)或體熱供電。

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(duì)邊緣的傳感和人工智能產(chǎn)生重大影響。

測(cè)試與認(rèn)證

在美國，聯(lián)邦通信委員會(huì)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，使UWB比窄帶具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗峙浜椭С至巳绱舜笠徊糠值臒o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(cè)試和認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室可用于幫助設(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)用專家同樣隨時(shí)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(cè)試方面適用共同的原則。今天使用UWB的設(shè)計(jì)人員已經(jīng)熟悉這個(gè)過程 - 值不同，但測(cè)量是相同的。

然而，將逐漸需要使用具有靈敏度的測(cè)試設(shè)備來測(cè)量納安。應(yīng)用于 UWB 的能效優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)比藍(lán)牙低 10 倍的功耗，這將需要能夠執(zhí)行亞微安測(cè)量，這證明了 UWB 的功耗非常低，考慮到 UWB 可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率大幅提高。

天線設(shè)計(jì)優(yōu)化

隨著當(dāng)今支持藍(lán)牙的設(shè)備頻率為2.4 GHz，數(shù)百臺(tái)設(shè)備可能會(huì)在任何給定時(shí)間相互發(fā)射光束，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)可以幫助最大限度地減少與周圍設(shè)備的射頻碰撞，WiFi可以舒適地共存于該頻譜中，也可以與位于低端UWB頻譜附近的WiFi 6共存。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，因此當(dāng)涉及到天線層采用的材料特性時(shí)，它也有些寬容。使用藍(lán)牙，材料屬性的微小變化很容易導(dǎo)致超出預(yù)期頻率范圍的變化;UWB可以適應(yīng)材料中更多的可變性，從而在信號(hào)的兩側(cè)利用額外的一百M(fèi)Hz。同樣，BLE天線的諧振頻率在人體附近很容易失諧，但UWB天線對(duì)這種現(xiàn)象免疫。

毫無疑問，天線設(shè)計(jì)被廣泛認(rèn)為是“巫術(shù)”的原因 - 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(huì)影響其性能，無論是與設(shè)備無關(guān)還是貼在設(shè)備本身上。藍(lán)牙對(duì)此將不那么敏感，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)牙的還是基于UWB的天線）仍將是設(shè)計(jì)人員最關(guān)心的問題。

烏威波是未來

上述所有 UWB 屬性都將 UWB 區(qū)分為以前使用藍(lán)牙提供服務(wù)的個(gè)人局域網(wǎng) （PAN） 應(yīng)用程序的邏輯繼承者。除了定位和測(cè)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)面向未來元宇宙的AR/VR/MR/XR設(shè)備奠定基礎(chǔ)。

該行業(yè)從藍(lán)牙轉(zhuǎn)向以UWB為中心的短距離無線設(shè)備，在設(shè)計(jì)和測(cè)試/認(rèn)證流程方面需要一些觀點(diǎn)的變化。但是，UWB可以釋放的創(chuàng)新為未來的無線設(shè)備設(shè)計(jì)和功能描繪了一個(gè)優(yōu)勢(shì)，這些設(shè)計(jì)和功能從電線和某些情況下的電池中解放出來。

審核編輯：郭婷