1912 年 4 月 14 日深夜，RMS 泰坦尼克號(hào)發(fā)送了一條求救信息：它剛剛撞上冰山，正在下沉。盡管廣播緊急無(wú)線信號(hào)今天是常見的，但在20世紀(jì)初，這是最尖端的技術(shù)。這得益于過(guò)去 20 年開發(fā)的寬帶無(wú)線電的發(fā)明：火花隙發(fā)射器（ spark-gap transmitter）。

　　火花隙無(wú)線電由 Heinrich Hertz 在 1880 年代開發(fā)，由 Guglielmo Marconi 改進(jìn)，他于 1901 年成功地跨大西洋發(fā)送了第一個(gè)無(wú)線電傳輸。泰坦尼克號(hào)災(zāi)難之后，使用火花隙發(fā)射機(jī)的無(wú)線電報(bào)迅速在大型輪船普及，1912 年的《無(wú)線電法》更是要求所有航海船只保持 24 小時(shí)的無(wú)線電值班?；鸹ㄏ稛o(wú)線電是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)船舶之間的無(wú)線通信，并在第一次世界大戰(zhàn)期間使用。

　　火花隙無(wú)線電的架構(gòu)與我們目前用在手機(jī)、WiFi 網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙設(shè)備的無(wú)線收發(fā)器架構(gòu)有很大不同?，F(xiàn)代窄帶通信系統(tǒng)調(diào)制連續(xù)波形射頻 (RF) 信號(hào)以傳輸和接收信息。但在當(dāng)時(shí)，火花隙發(fā)射器通過(guò)電火花產(chǎn)生電磁波，并且沒有調(diào)制窄帶射頻信號(hào)?；鸹ㄊ鞘褂猛ㄟ^(guò)跨兩個(gè)導(dǎo)體之間的間隙的電弧放電的電容產(chǎn)生的。這些非常短的時(shí)間放電會(huì)在電線中產(chǎn)生振蕩電流，然后激發(fā)出一種電磁波，該電磁波輻射出去并且可以在很遠(yuǎn)的距離內(nèi)被電磁波拾取。根據(jù)眾所周知的時(shí)頻二元性原理，類似于電火花的時(shí)間上的短脈沖會(huì)產(chǎn)生頻率上的寬帶信號(hào)，這是二十多年來(lái)通信的基礎(chǔ)。

　　需要注意的有趣一點(diǎn)是火花隙收音機(jī)無(wú)法支持連續(xù)傳輸，例如聲音信號(hào)。一條消息必須由一系列火花組成，傳輸離散的信息片段，使其成為第一個(gè)數(shù)字收音機(jī)。這種特性非常適合傳輸摩爾斯電碼。然而，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為火花隙收音機(jī)不可能在不丟失信息的情況下傳輸連續(xù)的信號(hào)，如語(yǔ)音或音樂。香農(nóng)和奈奎斯特早在幾十年前就展示了如何使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)來(lái)做到這一點(diǎn)。

　　數(shù)字調(diào)制知識(shí)的這種差距，加上難以產(chǎn)生高功率火花隙傳輸是火花隙無(wú)線電的致命缺點(diǎn)。第一次世界大戰(zhàn)后，使用真空管開發(fā)了基于載波的發(fā)射器，產(chǎn)生可以攜帶音頻的連續(xù)波。如今，幾乎所有無(wú)線收發(fā)器都使用相同的架構(gòu)，這一切都基于美國(guó)工程師 Edwin Armstrong 在 1918 年的工作。稱為超外差無(wú)線電，這種架構(gòu)使用混頻將接收到的窄帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)較低的中頻 (IF)，即然后在基帶電路中處理。從 1920 年左右開始，這項(xiàng)創(chuàng)新催生了 AM 收音機(jī)，十年后又出現(xiàn)了 FM 收音機(jī)。到 1920 年代后期，唯一仍在使用的火花發(fā)射器是海軍艦艇上的傳統(tǒng)裝置。寬帶無(wú)線電實(shí)際上已經(jīng)死了。

　　100 年后寬帶的重生

　　為什么 Apple 會(huì)在 2019 年發(fā)布帶有超寬帶 (UWB) 收發(fā)器的 iPhone 11，該收發(fā)器是在其新的 U1 無(wú)線處理器芯片上實(shí)現(xiàn)的。答案需要一些偵探工作來(lái)尋找可以追溯到上世紀(jì)中葉的線索。

　　第一條線索是 1930 年代和第二次世界大戰(zhàn)期間在世界各地的絕密實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的另一種基于脈沖的寬帶無(wú)線電技術(shù)：雷達(dá)。RADAR 的故事已經(jīng)講過(guò)很多次了；它在不列顛海戰(zhàn)和太平洋海戰(zhàn)中都提供了關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

　　為了更好地簡(jiǎn)述本次的技術(shù)，我們來(lái)重溫一下雷達(dá)的原理。RADAR 能夠確定物體的范圍、角度和速度。戰(zhàn)后，基于脈沖的收發(fā)器再次開始獲得發(fā)展動(dòng)力。從 1960 年代到 1990 年代，這項(xiàng)技術(shù)被限制在機(jī)密程序下的軍事應(yīng)用，既是定位又是通信技術(shù)。到 1980 年代中期，美國(guó)天主教大學(xué)的 Harmuth 和 Sperry Rand Corp 的 Ross 和 Robbins 等 UWB 先驅(qū)的大量研究論文、書籍和專利變得可用。由于寬帶提供位置數(shù)據(jù)的獨(dú)特能力，這一重要的信息來(lái)源重新引起了人們對(duì) UWB 系統(tǒng)的興趣。

　　蘋果對(duì) UWB 的第一個(gè)用途是提供定位數(shù)據(jù)。定位支持增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR)、虛擬現(xiàn)實(shí) (VR)、游戲、設(shè)備恢復(fù)、文件共享和廣告信標(biāo)等領(lǐng)域的許多應(yīng)用。

　　被Wi-Fi擊敗

　　在上文中，我們講述了寬帶無(wú)線電的誕生。事實(shí)上，寬帶無(wú)線電的故事還沒有結(jié)束……

　　隨著 1990 年代無(wú)線通信需求的增長(zhǎng)，超寬帶 (UWB) 的優(yōu)勢(shì)變得更加明顯。但是 UWB 系統(tǒng)的商業(yè)部署需要在頻率分配、諧波和功率限制等方面達(dá)成全球協(xié)議。隨著對(duì) UWB 商業(yè)化興趣的增加，UWB 系統(tǒng)的開發(fā)商開始向 FCC 施壓，要求批準(zhǔn)其用于商業(yè)用途。2002 年，聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 終于允許未經(jīng)許可使用的 UWB 系統(tǒng)。幾年后，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (ETSI) 制定了自己的法規(guī)，遺憾的是與 FCC 法規(guī)略有不同。其他地區(qū)緊隨其后，通常與 FCC 或 ETSI 保持一致。

　　UWB 系統(tǒng)使用短時(shí)（即皮秒到納秒）電磁脈沖來(lái)傳輸和接收信息。它們還具有非常低的占空比，其定義為脈沖出現(xiàn)的時(shí)間與總傳輸時(shí)間的比率。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(guó)家現(xiàn)在都同意 UWB 的最大輸出功率，定義為 -41.3 dBm/MHz。

　　隨著法規(guī)的到位，公司聯(lián)盟開始形成，以標(biāo)準(zhǔn)化物理層和媒體訪問控制 (MAC) 層。2002 年，WiMedia 聯(lián)盟成立，這是一個(gè)非營(yíng)利性行業(yè)貿(mào)易組織，旨在促進(jìn) UWB 技術(shù)的采用、監(jiān)管、標(biāo)準(zhǔn)化和多供應(yīng)商互操作性。2004 年，無(wú)線 USB 推廣組和 UWB 論壇緊隨其后。

　　為了理解這些聯(lián)盟所做的選擇，我們應(yīng)該將它們置于語(yǔ)境中。

　　在2002 年，WiFi 還是一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)。802.11b 路由器于 1999 年推出，使用 2.4 GHz 頻段時(shí)的理論最大速度為 11 Mbit/s。802.11a 標(biāo)準(zhǔn)也是在 1999 年定義的，并承諾在 5 GHz 頻帶中的理論最大速度為 54 Mbit/s，但由于其較高的芯片組成本，在消費(fèi)領(lǐng)域沒有受到關(guān)注。2003 年，802.11g 標(biāo)準(zhǔn)推出，在 2.4 GHz 頻段提供了 54 Mbit/s 的理論最大速度。盡管事實(shí)證明 802.11g 標(biāo)準(zhǔn)取得了巨大的成功，但數(shù)據(jù)速率仍然受到擁擠的 2.4 GHz 頻段的限制，該頻段是當(dāng)時(shí)無(wú)線 LAN 的骨干，運(yùn)行在這個(gè)頻段的還有微波爐和無(wú)繩電話！

　　正是考慮到這些限制，市場(chǎng)提出了新一代 UWB 無(wú)線電。隨著法規(guī)的出臺(tái)，人們很難抗拒支持 UWB 的高數(shù)據(jù)速率的承諾。事實(shí)上，F(xiàn)CC 在 3.1 和 10.6 GHz 之間分配的 7.5 GHz 帶寬對(duì)于無(wú)線通信工程師來(lái)說(shuō)是極其寶貴的資源。這就是基于 UWB 多頻帶正交頻分復(fù)用 (OFDM) 以 480 Mbit/s 的數(shù)據(jù)速率提出短距離（即幾米）文件傳輸規(guī)范的方式。經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，第一個(gè)零售產(chǎn)品于 2007 年年中開始出貨。這在很大程度上是一種過(guò)度設(shè)計(jì)的無(wú)線電，以相對(duì)經(jīng)典的方式多路復(fù)用多個(gè)寬帶寬載波，本身并不是類似于火花隙無(wú)線電的基于脈沖的無(wú)線電。

　　盡管當(dāng)時(shí) OFDM UWB 制造了很多噪音并且產(chǎn)品很有前途，但它在 2000 年代后期推向市場(chǎng)卻遭遇了一場(chǎng)挑戰(zhàn)——2008 年的大衰退，這導(dǎo)致消費(fèi)電子產(chǎn)品的零售額大幅下降。此外，雖然不同的 UWB 聯(lián)盟都在開發(fā)新產(chǎn)品，但 WiFi 聯(lián)盟并沒有停滯不前。2006年，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和談判，他們發(fā)布了802.11n標(biāo)準(zhǔn)的初稿。它支持多路輸入和多路輸出 (MIMO) 概念以復(fù)用信道，其開發(fā)目的是提供高達(dá) 600 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率。盡管該標(biāo)準(zhǔn)的最終版本在 2009 年 10 月之前并未發(fā)布，但支持該標(biāo)準(zhǔn)草案的路由器于 2007 年開始搶先發(fā)貨。

　　給OFDM UWB 棺材打上的最后一顆釘子來(lái)自技術(shù)本身。當(dāng)時(shí)提出的OFDM UWB收發(fā)器RF架構(gòu)的復(fù)雜性和嚴(yán)格的時(shí)序要求，導(dǎo)致產(chǎn)品成本相對(duì)較高，功耗低。

　　上述事件和技術(shù)過(guò)度設(shè)計(jì)的芯片組的結(jié)合標(biāo)志著高速 UWB 無(wú)線電的消亡。當(dāng)時(shí) UWB 芯片組的領(lǐng)導(dǎo)者 WiQuest 在 2008 年初擁有 85% 的市場(chǎng)份額，于 2008 年 10 月 31 日停止運(yùn)營(yíng)。UWB 論壇因與 WiMedia 聯(lián)盟的方法不一致而未能就標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致后解散。WiMedia 聯(lián)盟在將其所有規(guī)范和技術(shù)轉(zhuǎn)讓給無(wú)線 USB 推廣組和藍(lán)牙特別興趣組后于 2009 年停止運(yùn)營(yíng)。然而，藍(lán)牙特別興趣小組在同年放棄了作為藍(lán)牙 3.0 一部分的 UWB 的開發(fā)。

　　不幸的是，在第一個(gè)基于火花隙無(wú)線電的 UWB 系統(tǒng)退役幾乎整整一個(gè)世紀(jì)之后，這種基于 OFDM 無(wú)線電架構(gòu)的 UWB 無(wú)線電的新迭代正在失寵。

　　然而，盡管困難重重，世界將不必再等一個(gè)世紀(jì)，就能看到新的和改進(jìn)的 UWB 無(wú)線電實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，火花隙無(wú)線電將成為這次 UWB 復(fù)興帶來(lái)更多的靈感。

　　UWB的復(fù)興

　　在上文中，我們討論了過(guò)度設(shè)計(jì)的正交頻分復(fù)用 (OFDM) 收發(fā)器的超寬帶 (UWB) 的失敗。這標(biāo)志著所提議的應(yīng)用——短距離非常高的數(shù)據(jù)速率（即幾百 Mbps）無(wú)線鏈路的終結(jié)——而不是技術(shù)。事實(shí)上，UWB 的歷史有點(diǎn)復(fù)雜：當(dāng)高速無(wú)線 UWB 提案開始衰落時(shí)，其他 UWB 應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展。

　　從二戰(zhàn)開始，微波系統(tǒng)的快速發(fā)展為UWB系統(tǒng)的發(fā)展鋪平了道路。在 1960 年代，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LLNL) 和洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LANL) 正在研究脈沖發(fā)射器、接收器和天線。這些研究項(xiàng)目并非純粹的學(xué)術(shù)研究；開發(fā)脈沖系統(tǒng)確實(shí)有很大的動(dòng)力：UWB 可以提供超高分辨率，然后可以用于對(duì)象定位、表征和識(shí)別。到 1970 年代，UWB 雷達(dá)主要用于軍事應(yīng)用。隨著研究的不斷進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了其他應(yīng)用，并且在 1990 年代末，多個(gè) UWB 雷達(dá)被用于廣泛的應(yīng)用：林業(yè)應(yīng)用、城市地區(qū)的穿墻檢測(cè)、

　　為了真正理解超寬帶的吸引力，我們首先要掌握時(shí)頻二元性和傅立葉變換。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這種對(duì)偶性表明，如果您有一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的周期時(shí)間信號(hào)，它將具有無(wú)限小的帶寬。另一方面，如果您有一個(gè)無(wú)限短的脈沖信號(hào)，它將具有無(wú)限大的帶寬。換句話說(shuō)，這意味著您可以用時(shí)間換取帶寬。你為什么要那樣做？這有多種原因，但一個(gè)非常重要的原因是實(shí)現(xiàn)超高分辨率定位。

　　確定射頻設(shè)備之間的距離有兩種基本方法：您可以使用接收信號(hào)強(qiáng)度 (RSS) 或信號(hào)的飛行時(shí)間 (ToF)。RSS 是一種實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單的技術(shù)，可以被任何無(wú)線收發(fā)器使用，這也解釋了為什么它被如此廣泛地使用。然而，它的準(zhǔn)確性受到嚴(yán)重限制：兩個(gè)靜止物體之間的感知距離將根據(jù)其直接路徑上的障礙物而變化。例如，如果您有兩個(gè)設(shè)備相距 10 米，但被磚墻隔開，提供 12 dB 的衰減，您會(huì)認(rèn)為這兩個(gè)設(shè)備相距 40 米。ToF 解決了這個(gè)問題。通過(guò)測(cè)量從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備所需的時(shí)間，您可以精確地提取兩個(gè)對(duì)象之間的距離。在

　　ToF 顯然是在空間中準(zhǔn)確定位物體的方法。然而，一個(gè)缺點(diǎn)是你需要處理光速，這是相當(dāng)快的。事實(shí)上，光傳播 10 厘米只需要 333 皮秒。如果要以厘米精度測(cè)量物體之間的距離，則系統(tǒng)需要亞納秒精度。實(shí)現(xiàn)這種精度的最簡(jiǎn)單方法是發(fā)送時(shí)間非常短的信號(hào)，由于時(shí)頻二元性，這需要 UWB 信號(hào)。

　　使用 ToF 精確測(cè)量距離的可能性在很大程度上解釋了 UWB 在最近幾年的復(fù)興。準(zhǔn)確定位市場(chǎng)在多個(gè)領(lǐng)域都在快速增長(zhǎng)，未來(lái)幾年應(yīng)該會(huì)繼續(xù)保持兩位數(shù)的增長(zhǎng)。多家公司現(xiàn)在都加入了 UWB 的行列，最新的是 Apple，它為 iPhone 11 配備了 UWB 芯片 U1，這似乎是它自己的設(shè)計(jì)。憑借實(shí)施實(shí)時(shí)定位系統(tǒng) (RTLS) 的能力，UWB 能夠在包括工業(yè) 4.0、物聯(lián)網(wǎng)和車輛在內(nèi)各種市場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)大量新應(yīng)用。

　　正如我們?cè)诒疚闹锌吹降?，時(shí)間可以換取帶寬，這可以有利地用于定位。但它也可以提供其他優(yōu)勢(shì)。接下來(lái)，我們將探討 UWB 在許多無(wú)線應(yīng)用中的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：極低的延遲。

　　低延遲為王

　　作為工程師，我們將延遲理解為觸發(fā)操作與其響應(yīng)之間的時(shí)間間隔。從無(wú)線鏈路的角度來(lái)看，這是發(fā)送數(shù)據(jù)幀和接收數(shù)據(jù)之間的時(shí)間延遲。但是消費(fèi)者對(duì)延遲有一種本能的反應(yīng)。玩格斗和體育游戲的游戲玩家會(huì)體驗(yàn)到延遲，因?yàn)樵诎聪掳粹o和在屏幕上看到預(yù)期動(dòng)作之間存在延遲。這種延遲可能是游戲中生死攸關(guān)的問題！顯示器和外圍設(shè)備正在以減少的延遲（例如，240 Hz 刷新率游戲監(jiān)視器）進(jìn)行積極營(yíng)銷，因此，令人驚訝的是，有線外圍設(shè)備在游戲圈中仍然無(wú)處不在。

　　電線，就像人們記憶中那樣古老的裝置，在延遲方面的優(yōu)勢(shì)仍然無(wú)可爭(zhēng)議。

　　隨著對(duì)延遲更敏感的應(yīng)用程序成為主流，如今對(duì)延遲的追求越來(lái)越強(qiáng)烈。例如，佩戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 或虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 耳機(jī)的設(shè)計(jì)師和游戲玩家會(huì)體驗(yàn)到延遲，因?yàn)樗麄兊膭?dòng)作和視覺反應(yīng)之間存在令人不安的滯后。AR 和 VR 使用戶在最輕微的延遲開始時(shí)就容易暈車。此外，當(dāng)角色在屏幕上的嘴唇與他們的聲音不同步時(shí)，家庭影院所有者就會(huì)詛咒這些延遲，雖然可以小心地延遲錄制的視頻以校準(zhǔn)延遲，但需要現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)的饋送無(wú)法從這種策略中受益。這種涉及實(shí)時(shí)交互的無(wú)線延遲問題很容易表現(xiàn)出來(lái)，就像在智能手機(jī)上打字并看到按鍵與通過(guò)無(wú)線耳機(jī)傳來(lái)的按鍵音頻反饋不同步一樣。一些手機(jī)制造商會(huì)通過(guò)讓鍵盤音頻反饋不通過(guò)無(wú)線耳機(jī)來(lái)隱藏這一限制。然而具有諷刺意味的是，在帶有準(zhǔn)系統(tǒng)有線耳機(jī)的過(guò)時(shí)電話上使用現(xiàn)已失效的音頻插孔不會(huì)造成延遲問題！這個(gè)問題更深入，工業(yè)工程師將延遲視為關(guān)鍵傳感器和控制系統(tǒng)中不可接受的延遲。

　　總而言之，當(dāng)前的無(wú)線技術(shù)無(wú)法提供可接受的游戲、AR/VR、實(shí)時(shí)視頻或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)，因此這些應(yīng)用在 2020 年仍然是有線應(yīng)用的市場(chǎng)。

　　大腦通?？梢员鎰e出幾十毫秒或更長(zhǎng)時(shí)間的延遲，一些樂器演奏者能夠“感覺到”3 毫秒的延遲。無(wú)線延遲有多種原因。它首先是光速的結(jié)果，與電線類似。然而，在人類尺度上，光速并不是限制因素，因?yàn)?100 米的無(wú)線通信只會(huì)產(chǎn)生 333 ns 的延遲。第二個(gè)原因是收發(fā)器中的處理時(shí)間。但這通常不是限制因素，因?yàn)樘幚砥魍ǔ？梢栽趲孜⒚雰?nèi)完成對(duì)幀的操作。第三個(gè)原因也是最重要的一個(gè)原因是收發(fā)器可以傳輸其數(shù)據(jù)的速度。在無(wú)線收發(fā)器中，每個(gè)數(shù)據(jù)幀都必須完全接收后才能進(jìn)行處理。這意味著傳輸和接收數(shù)據(jù)的速度是導(dǎo)致延遲的重要因素。例如，以 1 Mbps 的數(shù)據(jù)速率傳輸 1000 位幀將導(dǎo)致 1 ms 的延遲。這被稱為通話時(shí)間。除了通話時(shí)間外，還有媒體訪問控制層所需的時(shí)間，即MAC-Time，它與協(xié)議使用的通信棧有關(guān)，可能包括載波偵聽、幀確認(rèn)、幀重傳、流控制等。MAC 時(shí)間因應(yīng)用而異，與通話時(shí)間相比，MAC 時(shí)間可以從可以忽略不計(jì)變成主導(dǎo)因素。最終，MAC 時(shí)間通常與通話時(shí)間相關(guān)，因此可以壓縮通話時(shí)間的無(wú)線電能夠提供更短的延遲。

　　結(jié)合所有這些因素，很難公平地比較不同無(wú)線電的延遲。每種技術(shù)都有其目標(biāo)應(yīng)用，這意味著 MAC 層已相應(yīng)開發(fā)。需要 99.999% 可靠性的無(wú)線鏈路不會(huì)有與盡力而為廣播系統(tǒng)相同的延遲。然而，延遲總是有限的，并且源自無(wú)線電的通話時(shí)間，這是一個(gè)很好的比較點(diǎn)。ZigBee 規(guī)范背后的 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)提供 250 kbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率，而 BLE 4.2 支持 1 Mbps 和 BLE 5 2 Mbps。這些數(shù)據(jù)速率為 BLE 提供了幾毫秒的通話時(shí)間，為 IEEE 802.15.4 提供了數(shù)十毫秒的通話時(shí)間。這些通話時(shí)間被 MAC 層進(jìn)一步“放大”，并導(dǎo)致更長(zhǎng)的整體延遲，可能超過(guò) 100 毫秒，

　　減少延遲的一個(gè)好方法是提高數(shù)據(jù)速率，Wi-Fi 很好地應(yīng)用了這種方法。隨著 802.11 標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在支持在單個(gè)鏈路上傳輸數(shù)百 Mbps 的數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)在可以看到單個(gè)幀的亞毫秒級(jí)延遲。然而，這種延遲是以功耗為代價(jià)的。Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)支持超過(guò) 2000 字節(jié)的大數(shù)據(jù)包，并使用需要耗電電路的復(fù)雜調(diào)制。

　　延遲實(shí)際上是 5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展背后的主要驅(qū)動(dòng)因素之一。承諾幾毫秒的延遲，5G 將提供比 LTE 快10 倍的 改進(jìn)。然而，5G 無(wú)線電具有與 Wi-Fi 類似的缺點(diǎn)，即功耗非常高，阻礙了它們?cè)诖蠖鄶?shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的使用。因此，我們可以在幾毫秒內(nèi)將數(shù)據(jù)路由數(shù)百公里，但使用較低功率的無(wú)線電完成最后一百米需要更多時(shí)間。

　　UWB 彌合了長(zhǎng)距離、高數(shù)據(jù)速率收發(fā)器（Wi-Fi 和 5G）與短距離低數(shù)據(jù)速率解決方案（如 BLE 和 Zigbee）之間的差距。UWB 使用快速的 2 ns 脈沖來(lái)達(dá)到數(shù)十 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。這提供了比 BLE 短一個(gè)數(shù)量級(jí)的通話時(shí)間，達(dá)到亞毫秒級(jí)延遲。當(dāng)與 5G 結(jié)合時(shí)，UWB 是提供最后 100 米低延遲連接的有力候選者。

　　UWB 的亞毫秒延遲和相對(duì)較大的數(shù)據(jù)速率可以實(shí)現(xiàn)多種新的交互體驗(yàn)和應(yīng)用，而這些體驗(yàn)和應(yīng)用以前是其他短距離無(wú)線電無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。然而，UWB 的一個(gè)非常重要的方面，即物聯(lián)網(wǎng)革命所需的一個(gè)方面，尚未討論：低功耗操作。

　　低功耗是黃金

　　在一個(gè)一切都無(wú)線化并且所有設(shè)備都需要遠(yuǎn)程控制的世界中，功耗的重要性正在顯著增加。

　　在由四部分（傳感器、微控制器、PMU 和收發(fā)器）組成的簡(jiǎn)單傳感器節(jié)點(diǎn)中，無(wú)線收發(fā)器在很大程度上是總功耗的主要貢獻(xiàn)者。事實(shí)上，用于無(wú)線功能的功率百分比可以超過(guò)總功耗的 90%。無(wú)線耳機(jī)、游戲控制器和電腦鍵盤和鼠標(biāo)的功耗由無(wú)線收發(fā)器帶來(lái)的。

　　在過(guò)去的 15 年中，降低功耗一直在推動(dòng)無(wú)線芯片的發(fā)展。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，BLE于2006年被批準(zhǔn)用于解決藍(lán)牙的功耗問題。最近，藍(lán)牙 5.2 增加了一些功能，以減少不同應(yīng)用程序的消耗，包括音頻。然而，這些修改大多是漸進(jìn)的。從根本上說(shuō)，功耗的降低受到架構(gòu)的物理限制；基于載波的收發(fā)器總是需要大量功率來(lái)啟動(dòng)、穩(wěn)定和維持其 RF 振蕩器。經(jīng)過(guò)二十年的優(yōu)化，藍(lán)牙已經(jīng)到了收益遞減的地步。所有窄帶技術(shù)都是如此：獲得一個(gè)數(shù)量級(jí)需要無(wú)線傳輸?shù)男路妒?。原因如下?/p>

　　在上圖中，您可以看到所有窄帶無(wú)線電架構(gòu)（如藍(lán)牙）中固有的兩個(gè)顯著功率損失：

　　晶體振蕩器開銷（左下）削弱了低數(shù)據(jù)速率性能：藍(lán)牙使用 ~20 MHz 晶體振蕩器，需要幾毫瓦來(lái)啟動(dòng)和穩(wěn)定。UWB 無(wú)線電可以使用不需要高頻晶體振蕩器的脈沖運(yùn)行，并且可以設(shè)計(jì)為以低定時(shí)功耗開銷運(yùn)行。

　　載波開銷（中上）會(huì)影響高數(shù)據(jù)速率性能：如第 4 部分所述，在窄帶寬信道（例如藍(lán)牙無(wú)線電中使用的信道）上傳輸大量數(shù)據(jù)需要大量時(shí)間和功率?？梢詡鬏敶罅繑?shù)據(jù)當(dāng)分布在寬帶寬上時(shí)速度要快得多，使發(fā)射器保持開啟的持續(xù)時(shí)間要短得多，并顯著降低功耗。這意味著對(duì)于相同的消耗功率，UWB 可以傳輸更多的數(shù)據(jù)。（最右上角）

　　如果你從頭開始設(shè)計(jì)一個(gè)短距離 (50-100m) 無(wú)線協(xié)議，以最大限度地減少功耗和延遲并最大限度地提高數(shù)據(jù)速率，您可能會(huì)經(jīng)歷以下思考過(guò)程：

　　首先，盡量減少發(fā)射器和接收器的開機(jī)時(shí)間。為此，每個(gè)信號(hào)都應(yīng)盡可能短。從時(shí)頻二元性我們知道，時(shí)間短的信號(hào)帶寬很寬，因此該解決方案將使用寬帶通信，因此選擇了免授權(quán)UWB頻譜。

　　其次，確保發(fā)射器和接收器能夠盡快啟動(dòng)和關(guān)閉。這使得難以使用使用傳統(tǒng)高精度 RF 振蕩器的收發(fā)器。最小化功耗的最佳架構(gòu)是使用 UWB 脈沖無(wú)線電，而無(wú)需 RF 載波本身。

　　從上圖中的數(shù)據(jù)可以看出，該方法為短距離通信提供了盡可能低的功率分布。

　　由于 UWB 不使用高頻載波振蕩器，因此 UWB 收發(fā)器可以非常快速地開啟，并且在給定功率水平下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率遠(yuǎn)高于窄帶無(wú)線電。

　　秘密終于揭曉

　　在文章的開頭我們提了一個(gè)問題，那就是為什么蘋果 2019 年在 iPhone 11 中植入了 UWB 收發(fā)器？在 2020 年初， UWB 芯片供應(yīng)商 Decawave 被Qorvo以大約5億美元的價(jià)格被收購(gòu)？為什么通用汽車、福特汽車、豐田汽車、尼桑汽車、本田汽車、現(xiàn)代汽車、大眾汽車、寶馬汽車和梅賽德斯汽車等汽車制造商都在投資 UWB？

　　答案現(xiàn)在很清楚：UWB 提供了準(zhǔn)確定位、超低功耗、超低延遲和高帶寬的獨(dú)特組合，這是任何其他短距離無(wú)線技術(shù)無(wú)法比擬的。2021 年的超寬帶部署側(cè)重于精確定位和基于位置的服務(wù)：安全無(wú)鑰匙進(jìn)入、免提支付和室內(nèi)導(dǎo)航。即將推出具有高達(dá)藍(lán)牙 10 倍帶寬的低功耗和無(wú)電池?cái)?shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。

　　正如大家所熟知，藍(lán)牙在低帶寬、低保真通信（例如無(wú)線耳機(jī)和耳塞）方面取得了巨大成功。那么，為什么蘋果要在 iPhone 11 中設(shè)計(jì)另一個(gè)收發(fā)器呢？那就是為超出藍(lán)牙設(shè)計(jì)限制的新興應(yīng)用提供服務(wù)，尤其是準(zhǔn)確定位。

　　在前文中，我們探討了像藍(lán)牙這樣的窄帶協(xié)議如何具有基本限制，這使其不如 UWB 那樣適合極低功耗、低延遲和無(wú)電池應(yīng)用：

　　數(shù)據(jù)速率限制：藍(lán)牙規(guī)范將空中帶寬限制為僅 3 Mbps，并且在大多數(shù)系統(tǒng)中限制為小于 1 Mbps。UWB 可以以數(shù)十 Mbps 的速度運(yùn)行。

　　低數(shù)據(jù)速率功率：即使在最低數(shù)據(jù)速率下，振蕩器開銷和長(zhǎng)數(shù)據(jù)包持續(xù)時(shí)間也可將藍(lán)牙的最小功率保持在幾毫瓦。為低功耗操作和數(shù)據(jù)流量身定制的 UWB可以以低于 10 μW 的速度傳輸 1 kbps，從而使由能量收集供電的無(wú)電池傳感器成為可能。

　　延遲：藍(lán)牙延遲通常超過(guò) 100 毫秒，耳機(jī)用戶將其視為回聲、長(zhǎng)時(shí)間的音頻延遲和通話時(shí)互相交談。這種延遲使得藍(lán)牙對(duì)于游戲控制器和 AR/VR 等交互式應(yīng)用沒有吸引力，對(duì)于工業(yè)傳感器和控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)也是不可接受的。UWB 為近實(shí)時(shí)機(jī)器控制和交互式娛樂系統(tǒng)提供亞毫秒級(jí)延遲。

　　定位：定位服務(wù)和精準(zhǔn)定位是UWB眾所周知的強(qiáng)項(xiàng)，可以在10厘米精度內(nèi)測(cè)量相對(duì)位置。這是藍(lán)牙無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，它很難獲得幾米以下的精度。

　　抗干擾性：3-10 GHz 頻段變得擁擠。除了LTE、5G和WiFi，包括最近發(fā)布的WiFi 6E，都占據(jù)了這個(gè)頻譜的不同部分。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的 UWB 通信是可能的，但必須謹(jǐn)慎完成，以便在不妨礙所有其他基于載波的信號(hào)并有效拒絕它們的情況下運(yùn)行。

　　事實(shí)上，對(duì)于短距離、低功耗的應(yīng)用，UWB 優(yōu)于 WLAN 和 Zigbee 以及經(jīng)典的藍(lán)牙和 BLE：

　　此圖表比較了 Zigbee、BLE 和 UWB 的 200kbps 完整鏈路的能效：

　　當(dāng)您將激勵(lì)和穩(wěn)定載波頻率以及傳輸窄帶數(shù)據(jù)所需的所有功耗加起來(lái)時(shí)，總和比 UWB 高 1-2 個(gè)數(shù)量級(jí)（專為低功率運(yùn)行而設(shè)計(jì)）。

　　今天的 UWB 與 100 年前的火花隙前輩不同。盡管自近一個(gè)世紀(jì)前火花隙消失以來(lái)窄帶無(wú)線電一直主導(dǎo)著通信，但超寬帶正處于大規(guī)模復(fù)興的開始。畢竟，它是大約 20 年來(lái)第一個(gè)包含在智能手機(jī)中的新的未經(jīng)許可的頻譜無(wú)線技術(shù)，其他手機(jī)制造商也紛紛效仿蘋果公司的做法。UWB 的“超能力”直接解決了窄帶無(wú)法提供的新應(yīng)用的功率、帶寬和延遲需求。UWB 非常適合主導(dǎo)許多新興的低功耗、低延遲、更高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用，并為無(wú)電池應(yīng)用鋪平道路。