無線設備工程師最近聽到了很多關于超寬帶（UWB）的信息。今年早些時候，蘋果高調推出的基于UWB的AirTags跟蹤和定位設備引起了很多人的注意 - 如果不是因為AirTags本身，那么蘋果公司秘密地在其iPhone中設計了一個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，它在其產品組合中對UWB有更大的計劃。三星和許多汽車原始設備制造商同樣在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入應用只是觸及了UWB短距離無線連接潛力的表面。要充分了解UWB的功能，請考慮其相對于藍牙的性能屬性，藍牙是我們自世紀之交以來事實上的短程無線平臺。

與傳統(tǒng)藍牙相比，借助 UWB，無線設備設計人員可以在性能方面實現(xiàn)巨大飛躍。隨著設計人員熟悉新的設計方法，這將帶來適度的學習曲線，而藍牙的普遍存在使得許多設計人員在整個職業(yè)生涯中都在設計基于藍牙的無線設備。

然而，UWB的突破性性能基準使其值得。當我們考慮UWB對設備設計考慮因素和工作流程的影響時，優(yōu)勢變得更加明顯。

有效負載大小和數(shù)據(jù)速率

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

在以 48kHz 采樣頻率確定未壓縮的 16 位音頻信號的有效負載時，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用的設計人員來說，數(shù)據(jù)速率翻倍至 3.8 Mbps。這對于支持藍牙的無線音頻應用程序來說遙不可及，實際上更類似于應用 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，短距離無線通信應用，由于藍牙固有的數(shù)據(jù)速率限制，這些應用從未嘗試過，關閉了UWB實現(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用程序，這些應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)。這些設備現(xiàn)在可以拔掉插頭，物聯(lián)網/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用。

通常，對于物聯(lián)網傳感器，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設施的下一代傳感器 - 以及無數(shù)其他人工智能引導的商業(yè)和工業(yè)應用程序 - 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，板載藍牙芯片平均消耗整個傳感器功率預算的 80%，因此必須經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，當今的許多傳感器網絡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展之后。

對于將繼續(xù)以 10 至 100 kbps 數(shù)據(jù)速率提供服務的許多物聯(lián)網傳感器應用，UWB 仍將證明比藍牙更具優(yōu)勢。在SPARK Microsystems的UWB實現(xiàn)中，無線通信芯片消耗了20%或更少的傳感器功率預算。根據(jù)設計人員使用傳感器的方式，這可以實現(xiàn)“設置并忘記它”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環(huán)境光供電，甚至振動或體溫。

無電池無線傳感器的出現(xiàn)同樣將成為一系列應用領域的分水嶺，對邊緣傳感和人工智能產生重大影響。

測試和認證

在美國，聯(lián)邦通信委員會于2002年授權在3.1至10.6 GHz的頻率范圍內未經許可使用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 測試和認證實驗室可幫助設計人員利用既定協(xié)議驗證其對排放法規(guī)的合規(guī)性。UWB和應用專家同樣隨時準備幫助設備設計人員輕松通過這些認證。

藍牙和 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 的設計人員已經熟悉了該過程 – 數(shù)值不同，但測量結果相同。

然而，將逐漸需要使用具有靈敏度的測試設備來測量納安。應用于 UWB 以實現(xiàn)比藍牙低 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。

天線設計優(yōu)化

如今支持藍牙的設備頻率為 2.4 GHz，數(shù)百臺設備在任何給定時間都可能相互發(fā)射信號，從而可能產生大量干擾。UWB受益于目前相對不擁擠的頻譜。創(chuàng)新的設計技術有助于最大限度地減少與周圍設備的射頻碰撞，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牙和 WiFi 設備的房間中使用，幾乎沒有干擾。

在設備 T/R 天線層，藍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，因為它們測量的信號非常接近噪聲水平。因此，設計人員面臨的挑戰(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。使用藍牙，材料特性的微小變化很容易導致超出預期頻率范圍;UWB可以適應材料的更多變化，在信號的兩側利用額外的一百MHz。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，天線設計被廣泛認為是“巫術”是有原因的——它需要高度專業(yè)化的設計技術。眾所周知，天線周圍的任何金屬片都會影響其性能，無論是與設備無關的還是固定在設備本身上的。藍牙對此不太敏感，因為它可以在不違反法規(guī)的情況下傳輸更多能量。無論哪種情況，天線在產品中的位置和配置（無論是基于藍牙還是基于UWB）仍將是設計人員最關心的問題。

UWB是未來

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

行業(yè)從藍牙到以 UWB 為中心的短距離無線設備的轉變在設計和測試/認證流程方面帶來了一些視角變化。但是，UWB可以釋放的創(chuàng)新為未來的無線設備設計和功能描繪了優(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