超寬帶技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)匯總

擁有 132 年歷史的超寬帶 （UWB） 通信技術(shù)現(xiàn)在正在為短距離無線連接設(shè)備重新煥發(fā)活力。許多行業(yè)觀察家聲稱，UWB 可以證明比藍(lán)牙更成功，因?yàn)樗俣雀?、更便宜、功耗更低、更安全，并提供卓越的位置發(fā)現(xiàn)和設(shè)備測(cè)距。

英特爾、時(shí)域、蘋果、華為、三星、小米、恩智浦、索尼、博世和 Xtreme Spectrum 等公司都在研究和投資 UWB 技術(shù)。事實(shí)上，Apple 已經(jīng)在其 iPhone 11 中提供了 UWB 芯片，可通過“飛行時(shí)間”測(cè)量實(shí)現(xiàn)卓越的定位精度和測(cè)距。

在本文中，我們將介紹超寬帶技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)，包括其起源、優(yōu)勢(shì)以及對(duì)傳輸方法的高層次了解。

什么是超寬帶？

超寬帶 （UWB） 是一種短距離無線通信協(xié)議（如 Wi-Fi 或藍(lán)牙），在未經(jīng)許可的應(yīng)用中使用頻率范圍為 3.1 至 10.5 GHz 的短脈沖無線電波。

術(shù)語 UWB 用于大于或等于 500 MHz 的帶寬 （BW） 或大于 20% 的分?jǐn)?shù)帶寬 （FBW），其中FBW = BW/fc，其中fc是中心頻率。

超寬帶的歷史

UWB 技術(shù)的歷史可以追溯到第一臺(tái)人造無線電的時(shí)代，當(dāng)時(shí)馬可尼使用火花隙（短電脈沖）發(fā)射器進(jìn)行無線通信。

1920 年，UWB 信號(hào)被禁止用于商業(yè)用途。UWB 技術(shù)僅限于高度機(jī)密的安全通信程序下的國防應(yīng)用。直到 1992 年，UWB 才開始受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注。

高速微處理器和快速開關(guān)技術(shù)的發(fā)展使 UWB 在商業(yè)上可用于短距離、低成本的通信。早期應(yīng)用包括雷達(dá)系統(tǒng)、通信、消費(fèi)電子產(chǎn)品、無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、定位和醫(yī)療電子產(chǎn)品。從那時(shí)起，UWB 電磁學(xué)、組件和系統(tǒng)工程的詳細(xì)知識(shí)得到了發(fā)展。

2002 年，美國聯(lián)邦通信委員會(huì) （FCC） 是全球第一個(gè)發(fā)布允許未經(jīng)許可使用已分配頻譜的 UWB 法規(guī)的組織。但是，允許的功率限制設(shè)置得非常低，以避免干擾在該頻段運(yùn)行的其他技術(shù)，例如 WiFi、藍(lán)牙等。

UWB 信號(hào)的低頻譜密度很有吸引力，這使得 UWB 不易受到來自其他窄帶信號(hào)的帶內(nèi)干擾，并且非常安全，因?yàn)樗鼈冇捎诘凸β拭芏榷y以檢測(cè)。

超寬帶技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

UWB 信號(hào)的超寬帶寬可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)的室內(nèi)性能。

下面重點(diǎn)介紹了此帶寬的一些功能：

寬帶寬可在密集環(huán)境中抵抗信道效應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)非常精細(xì)的時(shí)空分辨率，以實(shí)現(xiàn) UWB 節(jié)點(diǎn)的高精度室內(nèi)定位，例如新款 iPhone 11。

低于環(huán)境噪聲的低頻譜密度確保了信號(hào)檢測(cè)的低概率并提高了通信的安全性。

使用 UWB 可以在短距離內(nèi)傳輸高數(shù)據(jù)速率。

UWB 系統(tǒng)可以與已經(jīng)部署的窄帶系統(tǒng)共存。

超寬帶傳輸

數(shù)據(jù)傳輸采用兩種不同的方法：

皮秒范圍內(nèi)的超短脈沖，同時(shí)覆蓋所有頻率（也稱為脈沖無線電）

將總 UWB 帶寬細(xì)分為一組寬帶正交頻分復(fù)用 （OFDM） 信道

第一種方法具有成本效益，但會(huì)降低信噪比。一般來說，脈沖無線電傳輸不需要使用載波，這意味著與傳統(tǒng)窄帶收發(fā)器（即更簡(jiǎn)單的收發(fā)器架構(gòu)）相比，復(fù)雜性降低，因?yàn)樾盘?hào)是通過 UWB 天線直接輻射的。高斯單周期或其衍生物之一是易于生成的 UWB 脈沖的一個(gè)示例。

第二種方法更有效地利用頻譜并提供更好的性能和數(shù)據(jù)吞吐量，但代價(jià)是增加了復(fù)雜性（即需要信號(hào)處理）和功耗。

兩種方法之間的選擇取決于應(yīng)用程序。