無線設備工程師聽到了很多關于超寬帶（UWB）的消息。今年早些時候，蘋果公司基于UWB的AirTags跟蹤和定位設備的高調發布引起了很多人的注意- 如果不是AirTags本身，那么蘋果悄悄地在其iPhone中設計了一個UWB收發器，而可用的空間來容納其他組件是稀缺的。

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邊境上插上了旗幟，還有更多的人將效仿。

但是，UWB目前正在獲得牽引力的測距，定位和汽車無鑰匙進入應用只是觸及UWB在短距離無線連接方面的潛力的表面。為了充分了解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。

借助 UWB，無線設備設計人員可以在性能方面實現與傳統藍牙相比的巨大飛躍。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，而藍牙無處不在，以至于許多設計人員在整個職業生涯中一直在設計基于藍牙的無線設備。

但是，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，其優勢變得更加明顯。

有效負載大小和數據速率

根據目標應用，利用 UWB 收發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據包速率。以無線音頻應用為例，藍牙幾十年來一直通過有損編解碼器扼殺音頻質量，這些編解碼器將 CD 質量的音頻從 1，411 kbps 壓縮到僅 300 kbps 的數據傳輸。

在以 48kHz 采樣頻率（立體聲）調整未壓縮的 16 位音頻信號的有效負載時，UWB 以大約 2 Mbps 的速度提供此音頻信號，并考慮 20% 的開銷，以便在需要時進行重新傳輸。對于以96kHz采樣頻率提供未壓縮音頻的高級音頻應用的設計人員來說，數據速率翻倍至3.8 Mbps。對于支持藍牙的無線音頻應用程序來說，這是遙不可及的，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，考慮一下由于藍牙固有的數據速率限制而從未嘗試過的許多可以想象的高數據速率，短程無線通信應用，從而關閉了UWB實現的大量創新。

從電線（和電池）中解放出來

考慮一下許多仍然依賴物理線路的短距離通信應用程序，它們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。這些設備現在可以拔掉插頭，物聯網/IIoT傳感器提供了一個很好的例子，說明它如何改變基于傳感器的應用。

通常對于物聯網傳感器，有效載荷可能每隔幾毫秒僅測量幾個字節 - 10到100 kbps的數據速率可能就足夠了。對于用于自動駕駛汽車和智能基礎設施的下一代傳感器 - 以及無數其他人工智能引導的商業和工業應用程序 - 像這樣的采樣率將遠遠不足以滿足人工智能永不滿足的數據需求。實時遙測的“始終打開”可用性需要訪問和處理最新的可用數據。

目前，板載藍牙芯片平均消耗了整個傳感器功率預算的80%，因此必須頻繁地為傳感器電池充電或更換，這是一個耗時和資源密集型的過程。或者，作為一種重大妥協，傳感器根本無法連續發送其遙測數據，并且需要在很長的時間間隔之間發送突發數據，從而打破了“始終開啟”的模式。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的所有進展之后也是如此。

對于許多將繼續以10至100 kbps數據速率提供服務的物聯網傳感器應用，UWB仍將比藍牙更具優勢。在SPARK微系統的UWB實現中，無線通信芯片消耗的傳感器功率預算的20%或更少。根據設計人員使用傳感器的方式，這可以實現“設置并忘記它”的傳感器安裝，這些傳感器安裝可以在電池耗盡成為問題之前運行多年。由于UWB收發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境光甚至振動或體熱供電。

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

測試與認證

在美國，聯邦通信委員會于2002年授權在3.1至10.6 GHz的頻率范圍內未經許可使用UWB，使UWB比窄帶具有優勢，因為它分配和支持了如此大一部分的無線電頻譜。

根據2000年代制定的發射法規，UWB信號被定義為頻譜大于500 MHz的信號。大多數國家已經商定了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用于幫助設計人員利用既定協議驗證其是否符合排放法規。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的原則。今天使用UWB的設計人員已經熟悉這個過程 - 值不同，但測量是相同的。

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 的能效優化可實現比藍牙低 10 倍的功耗，這將需要能夠執行亞微安測量，這證明了 UWB 的功耗非常低，考慮到 UWB 可實現的數據速率大幅提高。

天線設計優化

隨著當今支持藍牙的設備頻率為2.4 GHz，數百臺設備可能會在任何給定時間相互發射光束，從而可能產生大量干擾。UWB受益于目前相對不擁擠的頻譜。創新的設計技術可以幫助最大限度地減少與周圍設備的射頻碰撞，WiFi可以舒適地共存于該頻譜中，也可以與位于低端UWB頻譜附近的WiFi 6共存。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 無線電高 1，000 到 1，000，000 倍的功率，由于發射限制，其輸出功率必須低得多。UWB收發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仍然是優化高效天線以獲得良好的靈敏度。

由于UWB頻率范圍非常寬，因此當涉及到天線層采用的材料特性時，它也有些寬容。使用藍牙，材料屬性的微小變化很容易導致超出預期頻率范圍的變化;UWB可以適應材料中更多的可變性，從而在信號的兩側利用額外的一百MHz。同樣，BLE天線的諧振頻率在人體附近很容易失諧，但UWB天線對這種現象免疫。

毫無疑問，天線設計被廣泛認為是“巫術”的原因 - 它需要高度專業化的設計技術。眾所周知，天線周圍的任何金屬片都會影響其性能，無論是與設備無關還是貼在設備本身上。藍牙對此將不那么敏感，因為它可以在不違反法規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（無論是基于藍牙的還是基于UWB的天線）仍將是設計人員最關心的問題。

烏威波是未來

上述所有 UWB 屬性都將 UWB 區分為以前使用藍牙提供服務的個人局域網 （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面向未來元宇宙的AR/VR/MR/XR設備奠定基礎。

該行業從藍牙轉向以UWB為中心的短距離無線設備，在設計和測試/認證流程方面需要一些觀點的變化。但是，UWB可以釋放的創新為未來的無線設備設計和功能描繪了一個優勢，這些設計和功能從電線和某些情況下的電池中解放出來。

審核編輯：郭婷