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超宽带（UWB）发展简况

热度 1已有 2897 次阅读| 2020-3-12 23:46 |个人分类:UWB|系统分类:芯片设计

苹果在2019年发布带有超宽带（UWB）收发器的iphone 11，使得沉寂多年的超宽带技术收到广泛关注，本文主要关注超宽带的发展历史和现状，主要包括以下几个部分：

超宽带技术的优势
超宽带协议的制定
中国UWB标准
相关公司发展情况
未来发展

1.宽带技术的优势

超宽带技术作为无线个域网的技术之一，具有很多特点。第一，提高频段的利用率，超宽带利用了未被授权使用的频段，即3.1-10.6GHz频段，在不干扰其它无线通信时最大的利用了这段频段。第二，传输数率高，根据香农定理，数据的最大传输率和信号带宽有如下关系：

其中，C代表信道容量，BW表示带宽，传输速率和带宽成正比，因此对于超宽带系统，具有高数据传输率的潜能，取决于具体的超宽带协议。第三，超宽带使用非常灵活，对于不同应用领域，有不同的参数和功能要求，如数据率，功耗，传输范围等参数，通信，定位等功能，超宽带能够提供多种应用需求而无需额外的硬件资源。第四，高的时间分辨率，UWB发射的脉冲极窄，时间分辨率很高，因此在抗多径效应的方面表现优异，利用高的时间分辨率特点，应用在定位，测距领域时，具有高的定位精度或测距精度。基于上述优点，使得超宽带在很多方面都有应用，在实现设备之间的通信时，还可应用于定位，雷达，汽车防撞，测距等军用民用上。因此超宽带技术成为了短距离无线通信技术的有力竞争者。

2.超宽带协议的制定

现在通常所说的“UWB”这个术语，在1989年被首次使用，而在此之前，被称为脉冲无线电技术。上世纪60年代，无载波短脉冲的超宽带通信首次出现在Ross G F在时域电磁学的研究中；70年代，Ross G F, Harmuth, Paul van Etten等人在超宽带技术发展做出了重要贡献，1973年，Ross G F发明的美国专利被批准，这是超宽带通信的里程碑式的专利；1969-1984，Harmuth发表了一系列文献，研究了超宽带发射机和接收机的基本结构设计，做出了重要贡献；1977年，Paul van Etten对超宽带雷达系统进行了实验测试，发展了系统设计和天线概念。在这个阶段，超宽带主要应用在军事、雷达等领域上。到了80年代，超宽带的研究主要聚焦短脉冲传输的物理层实现，随着超宽带技术的发展，超宽带的应用出现了新的方向，如液位传感，定位系统，高度测量等领域，并在1989年，美国国防部将其命名为"UWB"。

2002年，美国联邦通讯委员会（FCC，Federal Communications Commission）发布了超宽带传输的相关规定，被定义为在2.5GHz以下的带宽超过中心频率的20%或在2.5GHz频段以上带宽超过500MHz。对平均发射的功率谱密度（PSD，Power Spectral Density）做了一定的限制，这里用有效全向辐射功率(EIRP, Effective Isotropic Radiated Power)表示，单位是dBm/MHz，表示1MHz带宽的发射功率，如图1.1所示，分为室内和室外，工作频段主要集中在低于960MHz和3.1-10.6GHz的频段上，其输出的功率谱密度峰值为-41.3dBm/MHz。

图1. FCC规定发射信号的EIPR

至此，UWB正式向民用领域开放。由于UWB潜藏着巨大的经济价值，因此UWB标准的制定也被展开。从2002年IEEE开始制定802.15.3a，出现了二大技术阵营，基于多频带正交频分复用技术的超宽带方案MB-OFDM-UWB和基于脉冲无线电技术的直接序列超宽带方案DS-UWB，二种技术各有其优势，得到不同公司的主导和支持，但二种技术方案区别很大，无法相互兼容，因此802.15.3a无法统一这二种方案，在2006年，解散了802.15.3a工作组。主导MB-OFDM UWB方案的WiMedia联盟在2007年3月将基于该方案的标准提交到ISO，并得到认证，成为超宽带技术的第一个国际标准。在制定802.15.3a技术标准的同时，802.15.4a标准也开始被制定，其主要面向的是低速低功耗无线个人局域网应用领域，相对于802.15.3a技术之争，802.15.4a标准进展比较顺利，2004年3月，802.15.4a工作组正式成立，2005年3月工作组制定出技术方案，该方案采用二种可选择的物理层，由超宽带脉冲无线电（IR-UWB, Impulse Radio UWB）和Chirp扩频（CSS, Chirp Spread Spectrum）组成, 最终在2007年3月，IEEE802.15.4a被IEEE-SA标准委员会批准为IEEE 802.15.4-2006，在2011年和2015年该标准又得到补充修订，分别命名为IEEE 802.15.4-2011和IEEE 802.15.4-2015。

3.中国的UWB标准

在FCC发布UWB相关规定后，很多国家开始制定相应的UWB频谱规划，中国在这方面也做了积极的调研准备工作，并且在2008年，工信部正式颁布超宽带技术相关的频率规定。中国的UWB标准采用了OFDM双载波技术，包含两个载波的OFDM超宽带信号进行数据传输。图1.2是中国的UWB标准的功率谱限制，中国的UWB标准使用的频段主要集中在6-9GHz。

图2. 中国UWB射信号的EIPR限制

在超宽带标准制定的过程中，脉冲式超宽带标准IEEE 802.15.4a协议受到重视，该标准的数据传输率覆盖了0.11-27.24Mb/s，相对IEEE 802.15.3a，数据传输数率较低，因此，将其称为低速率无线个人局域网（LR-WPANs，Low-Rate Wireless Personal Area Networks），应用在低速率，低功耗和低复杂性的短距离无线通信和定位，虽然称之为低速率，但相对蓝牙，ZigBee，在通信速率上仍然是占优势的。基于脉冲式超宽带技术，IEEE 802.15.4a协议以一定的占空比发射脉冲，具有较大的低功耗潜能，这对于电池供电的无线通信系统具有很大的优势。据很多专业报道称，苹果iPhone11自研的U1超宽带芯片就是基于该标准设计。

4.相关公司发展情况

国外公司Alereon公司的AL5100射频收发机，集成了射频模拟前端，如PLL、Filter、LNA和PA等, 支持单端连接到天线上，无需片外巴伦，具有低发射误差向量幅度（EVM，Error Vector Magnitude）、低输入噪声因子、高线性度、宽动态范围等特点，工作频带在3.1-10.6GHz。UWB芯片供应商Decawave公司推出的DW1000超宽带通信收发一体芯片，符合IEEE 802.15.4-2011协议标准，工作频带在3.5-6.5GHz范围内，具有通信和定位的功能，定位精度达到10cm，传输距离达到290m，可同时支持美国，欧洲，中国，韩日等多个地区的超宽带规定, 该芯片推出数年，在全球公开UWB市场占有率极高，据最新的报道, 在2020年初，Decawave已被Qorvo收购，此次并购当中的超宽带无线技术的交易价值4亿美元, Qorvo是作为一家著名的RF半导体公司，为苹果提供iPhone所用的芯片，并且Qorvo Bob Bruggeworth总裁兼首席执行官也表示：“让Decawave加入我们的行列可以建立我们在新兴市场中准确，安全的短距离定位解决方案的地位。”在未来，Qorvo必定会大力发展UWB，推出更多的UWB产品。最后，当然是将UWB带入大众视野的苹果，在2019年发布带有超宽带（UWB）收发器的iphone 11，其中超宽带芯片是个独立的芯片U1，使得沉寂多年的超宽带技术收到广泛关注，未来的iPhone系列，必定会继续保留超快带的功能，推出新的超宽带产品。

5. 未来发展

苹果公司推出的新功能总会引领潮流，不论是触控屏，还有指纹识别，在推出后就有很多手机厂家追随，以至于逐渐成为手机的标配，UWB首先在iPhone11系列手机上采用，其拥有极高的定位精度，丰富相关的应用，未来，必定有更多的手机厂家采用该技术，也可能逐渐成为手机的标配功能。除了手机，UWB在物联网上，车辆等众多市场的应用也会变得越来越广泛，未来可期！

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