使用UWB进行设计重新构想短距离无线应用

无线设备工程师最近听到了很多关于超宽带（UWB）的信息。今年早些时候，苹果高调推出的基于UWB的AirTags跟踪和定位设备引起了很多人的注意 - 如果不是因为AirTags本身，那么苹果公司秘密地在其iPhone中设计了一个UWB收发器，其中可用的空间来容纳额外的组件是稀缺的。

苹果找到了一种方法，毫无疑问，它在其产品组合中对UWB有更大的计划。三星和许多汽车原始设备制造商同样在UWB前沿插上了他们的旗帜，更多的人将紧随其后。

但是，UWB目前获得牵引力的测距、定位和汽车无钥匙进入应用只是触及了UWB短距离无线连接潜力的表面。要充分了解UWB的功能，请考虑其相对于蓝牙的性能属性，蓝牙是我们自世纪之交以来事实上的短程无线平台。

与传统蓝牙相比，借助 UWB，无线设备设计人员可以在性能方面实现巨大飞跃。随着设计人员熟悉新的设计方法，这将带来适度的学习曲线，而蓝牙的普遍存在使得许多设计人员在整个职业生涯中都在设计基于蓝牙的无线设备。

然而，UWB的突破性性能基准使其值得。当我们考虑UWB对设备设计考虑因素和工作流程的影响时，优势变得更加明显。

有效负载大小和数据速率

根据目标应用的不同，利用 UWB 收发器的设计人员可能会遇到与他们习惯的蓝牙截然不同的有效负载大小和数据包速率。考虑无线音频应用，其中蓝牙几十年来一直使用有损编解码器将 CD 质量的音频从 1，411 kbps 压缩到仅 300 kbps 的数据传输，从而扼杀音频质量。

在以 48kHz 采样频率确定未压缩的 16 位音频信号的有效负载时，在立体声中，UWB 以大约 2 Mbps 的速度提供此音频信号，并考虑了 20% 的开销，以便在需要时允许重新传输。对于针对具有 96kHz 采样频率未压缩音频的高级音频应用的设计人员来说，数据速率翻倍至 3.8 Mbps。这对于支持蓝牙的无线音频应用程序来说遥不可及，实际上更类似于应用 H.264 压缩的视频流速率。

重要的是要在这里停下来，考虑许多可以想象的高数据速率，短距离无线通信应用，由于蓝牙固有的数据速率限制，这些应用从未尝试过，关闭了UWB实现的大量创新。

从电线（和电池）中解放出来

考虑许多仍然依赖物理电线的短程通信应用程序，这些应用程序具有有线通信所暗示的所有尺寸、重量、空间、成本和部署妥协。这些设备现在可以拔掉插头，物联网/IIoT传感器提供了一个很好的例子，说明如何改变基于传感器的应用。

通常，对于物联网传感器，有效载荷可能每几毫秒仅测量传输的几个字节 - 10到100 kbps的数据速率可能就足够了。对于针对自动驾驶汽车和智能基础设施的下一代传感器 - 以及无数其他人工智能引导的商业和工业应用程序 - 这样的采样率将不足以满足人工智能永不满足的数据需求。需要实时遥测的“始终在线”可用性才能访问和处理最新的可用数据。

如今，板载蓝牙芯片平均消耗整个传感器功率预算的 80%，因此必须经常充电或更换传感器电池，这是一个时间和资源密集型过程。或者，作为一个重大折衷方案，传感器根本无法连续发送其遥测数据，需要在较长的时间间隔之间发送突发数据，从而打破了“始终开启”的范式。正是出于这个原因，当今的许多传感器网络仍然依赖于硬连线连接，即使在高性能无线连接方面取得了所有进展之后。

对于将继续以 10 至 100 kbps 数据速率提供服务的许多物联网传感器应用，UWB 仍将证明比蓝牙更具优势。在SPARK Microsystems的UWB实现中，无线通信芯片消耗了20%或更少的传感器功率预算。根据设计人员使用传感器的方式，这可以实现“设置并忘记它”的传感器安装，这些传感器在耗尽的电池成为问题之前运行多年。由于UWB收发器消耗的功率如此之少，这也为无电池传感器的未来打开了大门，这些传感器仅由室内环境光供电，甚至振动或体温。

无电池无线传感器的出现同样将成为一系列应用领域的分水岭，对边缘传感和人工智能产生重大影响。

测试和认证

在美国，联邦通信委员会于2002年授权在3.1至10.6 GHz的频率范围内未经许可使用UWB，鉴于UWB在如此大部分无线电频谱上的分配和支持，UWB比窄带更具优势。

根据 2000 年代制定的发射法规，UWB 信号被定义为频谱大于 500 MHz 的信号。大多数国家已经商定了UWB的最大输出功率，定义为-41.3 dBm/MHz，以避免干扰相邻的无线通信。

UWB 测试和认证实验室可帮助设计人员利用既定协议验证其对排放法规的合规性。UWB和应用专家同样随时准备帮助设备设计人员轻松通过这些认证。

蓝牙和 UWB 的射频频率和带宽可能不同，但在一致性测试方面适用共同原则。如今使用 UWB 的设计人员已经熟悉了该过程 – 数值不同，但测量结果相同。

然而，将逐渐需要使用具有灵敏度的测试设备来测量纳安。应用于 UWB 以实现比蓝牙低 10 倍的功耗的能效优化将需要能够执行亚微安级测量，考虑到 UWB 支持的数据速率大幅提高，这证明了 UWB 惊人的低功耗。

天线设计优化

如今支持蓝牙的设备频率为 2.4 GHz，数百台设备在任何给定时间都可能相互发射信号，从而可能产生大量干扰。UWB受益于目前相对不拥挤的频谱。创新的设计技术有助于最大限度地减少与周围设备的射频碰撞，WiFi可以在这个频谱中舒适地共存，以及位于低端UWB频谱附近的WiFi 6。这确保了 UWB 无线电可以在充满蓝牙和 WiFi 设备的房间中使用，几乎没有干扰。

在设备 T/R 天线层，蓝牙无线电可以传输比 UWB 无线电多 1，000 到 1，000，000 倍的功率，由于辐射限制，输出功率必须低得多。UWB收发器必须对信号接收非常敏感，因为它们测量的信号非常接近噪声水平。因此，设计人员面临的挑战仍然是优化高效天线以获得良好的灵敏度。

由于UWB频率范围非常宽，因此在天线层采用的材料特性方面也有些宽容。使用蓝牙，材料特性的微小变化很容易导致超出预期频率范围;UWB可以适应材料的更多变化，在信号的两侧利用额外的一百MHz。同样， BLE天线的谐振频率很容易在人体附近失谐， 但UWB天线不受这种现象的影响。

毫无疑问，天线设计被广泛认为是“巫术”是有原因的——它需要高度专业化的设计技术。众所周知，天线周围的任何金属片都会影响其性能，无论是与设备无关的还是固定在设备本身上的。蓝牙对此不太敏感，因为它可以在不违反法规的情况下传输更多能量。无论哪种情况，天线在产品中的位置和配置（无论是基于蓝牙还是基于UWB）仍将是设计人员最关心的问题。

UWB是未来

上述所有 UWB 属性使 UWB 成为以前使用蓝牙服务的个人局域网 （PAN） 应用程序的逻辑继承者。除了定位和测距应用外，UWB 还将为未来几代超高性能和极高能效的无线音频耳机、游戏耳机和外围设备以及无数旨在用于未来元宇宙的 AR/VR/MR/XR 设备奠定基础。

行业从蓝牙到以 UWB 为中心的短距离无线设备的转变在设计和测试/认证流程方面带来了一些视角变化。但是，UWB可以释放的创新为未来的无线设备设计和功能描绘了优势，从电线中解放出来，在某些情况下，从电池中解放出来。

审核编辑：郭婷