重新构想的短距离无线应用程序具有远超蓝牙的性能

　　无线设备工程师最近听到了很多关于超宽带 （UWB） 的消息。今年早些时候，苹果公司基于 UWB 的 AirTags 跟踪和定位设备的高调发布引起了很多人的注意——如果不是 AirTags 本身，那么苹果公司在其 iPhone 中偷偷地设计了一个 UWB 收发器。安装额外组件的空间是稀缺的。

　　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 前沿树立了自己的旗帜，而且还会有更多。

　　但是，UWB 目前正在获得牵引力的测距、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距离无线平台。

　　与传统蓝牙相比，使用 UWB，无线设备设计人员可以实现性能能力的巨大飞跃。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，而蓝牙的普及使得许多设计人员在其整个职业生涯中一直在设计基于蓝牙的无线设备。

　　然而，UWB 突破性的性能基准使其物有所值。当我们考虑 UWB 对设备设计考虑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，使用 UWB 收发器的设计人员可能会遇到与他们习惯使用蓝牙时截然不同的有效载荷大小和数据包速率。考虑无线音频应用，几十年来蓝牙一直在抑制音频质量，其有损编解码器将 CD 质量的音频从 1，411 kbps 压缩到仅 300 kbps 的数据传输。

　　当在 48kHz 采样频率下确定未压缩的 16 位音频信号的有效载荷时，UWB 以大约 2 Mbps 的速度提供此音频信号，并考虑 20% 的开销以允许在需要时重新传输。对于针对具有 96kHz 采样频率的未压缩音频的高级音频应用的设计人员而言，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是遥不可及的，实际上更类似于应用 H.264 压缩的视频流速率。

　　重要的是在这里停下来，考虑一下由于蓝牙固有的数据速率限制而从未尝试过的许多可想象的高数据速率、短距离无线通信应用，从而关闭了 UWB 支持的大量创新。

　　从电线（和电池）中解放出来

　　考虑许多仍然依赖物理线路的短距离通信应用程序，以及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出，物联网/工业物联网传感器提供了一个很好的例子，说明这如何改变基于传感器的应用程序。

　　通常对于物联网传感器，有效载荷可能只测量每几毫秒传输的几个字节——10 到 100 kbps 的数据速率可能就足够了。对于旨在用于自动驾驶汽车和智能基础设施的下一代传感器——在无数其他人工智能引导的商业和工业应用程序中——这样的采样率将远远不足以满足人工智能永不满足的数据需求。实时遥测的“始终在线”可用性将需要访问和处理可用的最新数据。

　　如今，板载蓝牙芯片平均消耗整个传感器功率预算的 80%，因此传感器电池必须经常充电或更换，这是一个时间和资源密集型的过程。或者，作为一个重大妥协，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数据突发，从而破坏了“始终在线”的范式。正是由于这个原因，今天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 仍将被证明优于蓝牙。在 SPARK Microsystems 的 UWB 实施中，20% 或更少的传感器功率预算由无线通信芯片消耗。根据设计人员使用传感器的方式，这可以实现“设置后忘记它”的传感器安装，这些安装可以运行多年，然后电池耗尽成为问题。由于 UWB 收发器消耗的功率如此之少，这也为未来的无电池传感器打开了大门，该传感器仅由室内环境光、甚至振动或体热供电。

　　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 到 10.6 GHz 的频率范围内未经许可使用 UWB，这使得 UWB 相对于窄带具有优势，因为它可以分配和支持如此大部分的无线电频谱。

　　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。大多数国家都同意 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是否符合排放法规。UWB 和应用专家也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 RF 频率和带宽可能不同，但在一致性测试方面适用通用原则。今天使用 UWB 的设计人员已经熟悉该过程——数值不同，但测量结果相同。

　　然而，将逐渐需要使用具有测量纳安的灵敏度的测试设备。应用到 UWB 的能效优化以实现比蓝牙低 10 倍的功耗将需要执行亚微安测量的能力，这证明了 UWB 惊人的低功耗，考虑到 UWB 实现的数据速率显着提高。

　　天线设计优化

　　借助当今 2.4 GHz 的蓝牙设备，数百个设备可能在任何给定时间相互发射，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冲突，并且 WiFi 可以在此频谱中舒适地共存，而 WiFi 6 则位于低端 UWB 频谱附近。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 无线电高 1，000 到 1，000，000 倍的功率，由于发射限制，其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，设计人员仍然面临着优化高效天线以获得良好灵敏度的挑战。

　　由于 UWB 频率范围如此之宽，因此在涉及天线层所采用的材料特性时也有些宽容。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可变性，在信号的两侧利用额外的 100 MHz。同样，BLE 天线的谐振频率在人体附近很容易失谐，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。在任何一种情况下，产品中天线的位置和配置——无论是蓝牙还是基于 UWB——都将是设计人员最关心的问题。

　　超宽带是未来

　　所有上述 UWB 属性将 UWB 区分为以前使用蓝牙服务的个域网 （PAN） 应用程序的逻辑继任者。除了定位和测距应用，UWB 还将为未来几代超高性能和极省电的无线音频耳机、游戏耳机和外围设备以及无数旨在用于未来的 AR/VR/MR/XR 设备奠定基础元节。

　　业界从蓝牙向以 UWB 为中心的短距离无线设备的转变需要在设计和测试/认证过程方面发生一些变化。但 UWB 可以释放的创新为未来的无线设备设计和功能描绘了一个优势，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