使用UWB进行设计其性能远远超出蓝牙

无线设备工程师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，那么苹果悄悄地在其iPhone中设计了一个UWB收发器，而可用的空间来容纳其他组件是稀缺的。

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边境上插上了旗帜，还有更多的人将效仿。

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UWB在短距离无线连接方面的潜力的表面。为了充分了解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。

借助 UWB，无线设备设计人员可以在性能方面实现与传统蓝牙相比的巨大飞跃。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，而蓝牙无处不在，以至于许多设计人员在整个职业生涯中一直在设计基于蓝牙的无线设备。

但是，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，其优势变得更加明显。

有效负载大小和数据速率

根据目标应用，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。以无线音频应用为例，蓝牙几十年来一直通过有损编解码器扼杀音频质量，这些编解码器将 CD 质量的音频从 1，411 kbps 压缩到仅 300 kbps 的数据传输。

在以 48kHz 采样频率（立体声）调整未压缩的 16 位音频信号的有效负载时，UWB 以大约 2 Mbps 的速度提供此音频信号，并考虑 20% 的开销，以便在需要时进行重新传输。对于以96kHz采样频率提供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。对于支持蓝牙的无线音频应用程序来说，这是遥不可及的，实际上更类似于应用H.264压缩的视频流速率。

重要的是要在这里停下来，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以想象的高数据速率，短程无线通信应用，从而关闭了UWB实现的大量创新。

从电线（和电池）中解放出来

考虑一下许多仍然依赖物理线路的短距离通信应用程序，它们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，说明它如何改变基于传感器的应用。

通常对于物联网传感器，有效载荷可能每隔几毫秒仅测量几个字节 - 10到100 kbps的数据速率可能就足够了。对于用于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 - 像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“始终打开”可用性需要访问和处理最新的可用数据。

目前，板载蓝牙芯片平均消耗了整个传感器功率预算的80%，因此必须频繁地为传感器电池充电或更换，这是一个耗时和资源密集型的过程。或者，作为一种重大妥协，传感器根本无法连续发送其遥测数据，并且需要在很长的时间间隔之间发送突发数据，从而打破了“始终开启”的模式。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的所有进展之后也是如此。

对于许多将继续以10至100 kbps数据速率提供服务的物联网传感器应用，UWB仍将比蓝牙更具优势。在SPARK微系统的UWB实现中，无线通信芯片消耗的传感器功率预算的20%或更少。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，这些传感器安装可以在电池耗尽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，对边缘的传感和人工智能产生重大影响。

测试与认证

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，使UWB比窄带具有优势，因为它分配和支持了如此大一部分的无线电频谱。

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用于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的原则。今天使用UWB的设计人员已经熟悉这个过程 - 值不同，但测量是相同的。

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 的能效优化可实现比蓝牙低 10 倍的功耗，这将需要能够执行亚微安测量，这证明了 UWB 的功耗非常低，考虑到 UWB 可实现的数据速率大幅提高。

天线设计优化

随着当今支持蓝牙的设备频率为2.4 GHz，数百台设备可能会在任何给定时间相互发射光束，从而可能产生大量干扰。UWB受益于目前相对不拥挤的频谱。创新的设计技术可以帮助最大限度地减少与周围设备的射频碰撞，WiFi可以舒适地共存于该频谱中，也可以与位于低端UWB频谱附近的WiFi 6共存。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，因此当涉及到天线层采用的材料特性时，它也有些宽容。使用蓝牙，材料属性的微小变化很容易导致超出预期频率范围的变化;UWB可以适应材料中更多的可变性，从而在信号的两侧利用额外的一百MHz。同样，BLE天线的谐振频率在人体附近很容易失谐，但UWB天线对这种现象免疫。

毫无疑问，天线设计被广泛认为是“巫术”的原因 - 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，无论是与设备无关还是贴在设备本身上。蓝牙对此将不那么敏感，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（无论是基于蓝牙的还是基于UWB的天线）仍将是设计人员最关心的问题。

乌威波是未来

上述所有 UWB 属性都将 UWB 区分为以前使用蓝牙提供服务的个人局域网 （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面向未来元宇宙的AR/VR/MR/XR设备奠定基础。

该行业从蓝牙转向以UWB为中心的短距离无线设备，在设计和测试/认证流程方面需要一些观点的变化。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一个优势，这些设计和功能从电线和某些情况下的电池中解放出来。

审核编辑：郭婷