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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
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。
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。
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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参考文献
[1] Arslan Huseyin, Chen Zhi Ning, Benedetto Maria-Gabriella Di. Ultra Wideband Wireless Communication.
[2] Ross G F. The Transient Analysis of Certain TEM Mode Four-Port Networks.
[3] Barrett T W. History of Ultra WideBand (UWB) Radar & Communications: Pioneers and Innovators.
[4] Ghavami M, Michael L B, Kohno R. Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering.
[5] US 47 CFR Part15 Ultra-Wideband Operations FCC Report and Order.
[6] 刘琪, 闫丽, 周正. UWB的技术特点及其发展方向.
[7] IEEE Standard for Low-Rate Wireless Networks, IEEE Std 802.15-2015.
[8] IEEE 802.15 WPAN Low Rate Alternative PHY Task Group 4a(TG4a) .
[9]关于发布超宽带(UWB)技术频率使用规定的通知.