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超宽带的故事

2020-03-12 12:55:25 来源:EETOP编译整理自semiwiki
第1部分:创世纪

在1912年4月14日深夜,泰坦尼克号发出了求救消息,它刚撞上冰山,正在下沉。尽管广播紧急无线求救信号在今天是司空见惯的,但这在当时却是最尖端的技术!这得益于过去20年间发明的宽带无线电发射技术:火花隙式发射机。

此项由赫兹(Heinrich Hertz)在1880年代开发的火花隙式无线电得到了马可尼的改进,他于1901年成功在大西洋上发送了第一次无线电传输。根据1912年的《无线电法》,要求所有航海船只必须保持24小时的无线电监视。火花隙式无线电当时是最先进的技术,可实现舰船之间的无线通信,并用于第一次世界大战。

火花隙式无线电的架构与当前无线收发器(包括我们的手机,WiFi网络和蓝牙设备)中所使用的架构有很大不同。现代窄带通信系统调制连续波形射频RF)信号以发送和接收信息。但是在20 世纪之交,火花隙发射器通过电火花产生电磁波,没有窄带射频信号被调制。使用通过电弧在两个导体之间的间隙上放电的电容来产生火花。这些非常短的时间放电会在导线中产生振荡电流,然后激发出电磁波,并且可以在很远的距离传输和拾取。根据众所周知的时频对偶原理,类似于电火花的短时间脉冲会在频率上产生宽带信号。

值得注意的一点是,火花隙无线电不能支持连续信号的传输,例如声音信号。一条信息必须由一系列的火花组成,传送离散的信息片段,这使其成为了第一台数字无线电。这种特性非常适合传输莫尔斯码。然而,当时人们认为,使用火花隙无线电不可能在不丢失信息的情况下传输语音或音乐等连续信号。香农和奈奎斯特花了几十年的时间才揭示了如何利用数字调制技术实现这一点。

数字调制知识上的这种差距,再加上难以产生高功率火花隙传输,是对火花隙无线电致命的缺点。第一次世界大战后,使用真空管开发了基于载波的发射器,产生了可以传送音频的连续波。如今,几乎所有的无线收发器都使用相同的架构,该架构基于美国工程师埃德温·阿姆斯特朗(EdwinArmstrong) 1918年的工作。这种结构称为超外差无线电,它使用混频将接收到的窄带信号转换为相对较低的中频(IF),即然后在基带电路中进行处理。这项创新从1920年左右开始催生了AM收音机,十年后又出现了FM收音机。到1920年代后期,唯一仍在运行的火花发射器是海军舰船上的传统装置,到此时宽带无线电实际上已经消亡。

100年后的重生

那么,苹果为什么要在2019年发布带有超宽带(UWB)收发器的iPhone 11呢?这种收发器是在他们的新U1无线处理器芯片上实现的。要找到这个问题的答案,需要对追溯到上世纪中叶的线索进行一些侦探工作。

第一个线索是20世纪30年代和二战期间世界各地的顶级机密实验室开发的另一种基于脉冲的宽带无线电技术:雷达。雷达的故事已经讲过很多次了,他在英国战役和太平洋海战中都具有举足轻重的优势。

为了便于讨论,RADAR能够确定物体的范围,角度和速度。战争结束后,基于脉冲的收发器又开始蓬勃发展,如今已用于军事领域。从1960年代到1990年代,这项技术仅限于机密计划下的军事应用,包括定位和通信技术。到1980年代中期,UWB先驱者(例如美国天主教大学的Harmuth和Sperry Rand Corp的Ross和Robbins)获得了广泛的研究论文,书籍和专利。由于宽带具有独特的传送位置数据的能力,这种巨大的信息源重新激发了人们对UWB系统的兴趣。

雷达能够确定目标的距离、角度和速度。战争结束后,基于脉冲的收发器又开始蓬勃发展,如今已用于军事领域。从1960年代到1990年代,这项技术仅限于机密计划下的军事应用,包括定位和通信技术。到1980年代中期,UWB先驱者(例如美国天主教大学的Harmuth和Sperry RandCorp的Ross和Robbins)等人的大量的研究论文,书籍和专利。由于宽带具有独特的传送位置数据的能力,这种巨大的信息源重新激发了人们对超宽带系统(UWB)的兴趣。

苹果对UWB的首次使用是提供定位数据。在增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、游戏、设备恢复、文件共享和广告信标等领域,有许多应用可以使用。我们将在第3部分中进一步探讨UWB定位技术。但是,定位应用并不是苹果构建一个定制的硅UWB芯片实现的充分理由。

第二部分:第二次失败

过于设计完美,被Wi-Fi击败

随着1990年代对无线通信的需求增长,超宽带(UWB)的优势变得更加明显。但是,UWB系统的商业部署需要在频率分配,谐波和功率限制等方面达成全球协议。随着对UWB商业化的兴趣增加,UWB系统的开发人员开始向FCC施加压力,要求其批准用于商业用途。2002年,联邦通信委员会(FCC)最终允许了未经许可使用的UWB系统。几年后,欧洲电信标准协会(ETSI)也制定了自己的标准,但不幸的是,这些标准与FCC的略有不同。随后是其他地区也采用了FCC或ETSI的标准。

UWB系统使用短时(即皮秒到纳秒)的电磁脉冲来传输和接收信息。它们还具有非常低的占空比,占空比定义为出现脉冲的时间与总传输时间之比。根据2000年代设定的发射标准,将UWB信号定义为频谱大于500 MHz的信号。现在,大多数国家/地区已同意将UWB的最大输出功率定义为-41.3 dBm/MHz。

随着规范的到位,公司开始组建联盟以标准化物理层和媒体访问控制(MAC)层。WiMedia联盟于2002年成立,是一个非营利性行业贸易组织,致力于促进UWB技术的采用,监管,标准化和多厂商互操作性。随后,无线USB促进小组和UWB论坛在2004年发表。

为了了解这些联盟所做的选择,我们应该将它们结合起来。在2002年,WiFi是一项相对较新的技术。自1999年以来可用的802.11b路由器在2.4GHz频带上的理论最大速度为11Mbit/s。802.11a标准也是在1999年定义的,并承诺在5GHz频段上理论上的最高速度为54Mbit/s,但由于其芯片组成本较高,因此在消费领域并未受到关注。2003年,引入了802.11g标准,在2.4GHz频带中理论上提供的最高速度为54Mbit/ s。尽管802.11g标准取得了巨大的成功,但数据速率仍然受到拥挤的2.4GHz频带的限制,2.4GHz频带是当时无线LAN的骨干力量,此外微波炉和无绳电话也在使用2.4GHz!

考虑到这些限制,提出了新一代的UWB实际上,FCC在3.1至10.6 GHz之间分配的7.5 GHz带宽对于无线通信工程师而言是极为宝贵的资源。这就是基于UWB多频带正交频分复用(OFDM)提出了以480 Mbit / s的数据速率进行短距离(几米)文件传输的规范的方法。经过几年的发展,首款零售产品于2007年中期开始发货。这是一种过度设计的无线电,它以相对经典的方式复用了多个宽带载波,并且本质上不是类似于火花隙无线电的基于脉冲的无线电。

尽管OFDM UWB带来了很大的影响,并且产品前景光明,但在2000年代后期,它的引入市场却遇到了一场完美的风暴。2008年的经济大衰退,导致消费电子产品的零售额大幅下降。此外,虽然不同的UWB联盟致力于开发新产品,但WiFi联盟并没有停滞不前。经过多年的发展和谈判,2006年,他们发布了802。11n标准的初稿。它支持多输入多输出(MIMO)概念以多路复用信道,因此被开发为提供高达600Mb/s的数据速率。尽管该标准的最终版本未在2009年10月之前发布,但支持该标准草案的路由器于2007年开始抢先发售。

OFDM UWB的最后一个钉子来自技术本身。当时提出的OFDM UWB收发器RF体系结构的复杂性及其严格的时序要求导致了相对较高的产品成本。

事件与技术过度设计的芯片组的结合标志着高速UWB无线电的消亡。WiQuest当时是UWB芯片组的领导者,它在2008年初占据了市场的85%,于2008年10月31日停止运营。由于与WiMedia联盟形成鲜明对比的方式,UWB论坛因未能达成标准而被解散。WiMedia联盟在将其所有规范和技术转让给无线USB促进组织和蓝牙特殊利益组织之后,于2009年停止运营。但是,蓝牙特别兴趣小组(Bluetooth Special Interest Group)在同年放弃了将UWB作为蓝牙3.0一部分的开发。

不幸的是,在第一个基于火花隙无线电的超宽带系统退役后大约整整一个世纪之后,这种基于OFDM无线电架构的超宽带无线电的新版本已不再受欢迎。但是,面对种种困难,世界将不必再等一个世纪才能看到新的和改进的UWB无线电实现。实际上,火花隙无线电将成为UWB复兴的灵感之源,UWB的这种弹性将在本系列的第三部分中进行讨论。

由于在技术上过度设计的芯片组的结合标志着高速超宽带无线电的消亡。当时UWB芯片组的领导者,WiQuest在2008年初占有85%的市场份额,在2008年10月31日停止了运营。由于与WiMedia联盟的方法不同,超宽频论坛未能就一项标准达成一致,随后被解散。在将所有的规格和技术转移到无线USB推广组和蓝牙特别兴趣组之后,WiMedia联盟在2009年停止了运营。然而,蓝牙特别兴趣小组在同年放弃了作为蓝牙3.0一部分的超宽带开发。

第三部分:超宽带的复兴

虽然前期UWB被Wi-Fi所击败,但实际上,UWB的历史要复杂得多:当高速无线UWB提议逐渐消失时,其他UWB应用也在蓬勃发展。

从第二次世界大战开始,微波系统的迅速发展为超宽带系统的发展铺平了道路。1960年代,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)和洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)正在研究脉冲发射器,接收器和天线。这些研究项目不是纯粹的学术研究。确实有很大的动力去开发脉冲系统:UWB可以提供超高分辨率,然后可以用于对象定位,表征和识别。到1970年代,UWB雷达主要用于军事应用。随着研究的不断进展,发现了其他应用,并且在1990年代末,多个UWB雷达被广泛应用:林业应用,城市区域的穿墙检测,

为了真正理解UWB的吸引力,我们首先必须掌握傅里叶变换所包含的时频对偶性(参考:。简而言之,这种对偶性表明,无限长的周期性时间信号,其带宽将无限小。另一方面,无限短的脉冲信号,则其带宽将无限大。换句话说,这意味着你可以将时间用于带宽。你为什么要那样做?这样做的原因有很多,但是非常重要的一个原因是可以实现超高分辨率的定位。

确定射频设备之间距离的基本方法有两种:可以使用信号的接收信号强度(RSS)或飞行时间(ToF)。RSS是一种非常简单的实现技术,可以被任何无线收发器使用,因此使用非常广泛。但是,它的准确性受到严格限制:两个固定物体之间的感知距离将根据其直接路径中的障碍物而变化。例如,如果有两个相隔10米的设备,但被一堵砖墙分开,提供了12dB的衰减,则您会认为这两个设备相距40米。ToF解决了这个问题。通过测量从一个设备到另一个设备所花费的时间,您可以精确地提取两个对象之间的距离。

ToF显然是在空间中精确定位对象的方法。但是,缺点之一是需要处理光速。实际上,光传播10厘米仅需333皮秒。如果要以厘米精度测量物体之间的距离,则系统中将需要亚纳秒精度。实现此精度的最简单方法是发送时间非常短的信号,由于时间频率对偶性,因此需要UWB信号。

使用ToF精确测量距离的可能性在很大程度上解释了最近几年UWB的复兴。准确定位的市场在多个领域都在快速增长,并且在未来几年中将继续保持两位数的增长。现在有多家公司加入了UWB市场,最近的一家公司是苹果公司,其iPhone 11配备了UWB芯片U1,看似是自己设计的。具有实现实时定位系统(RTLS)的能力,UWB在工业4.0,物联网和车辆等众多市场中实现了众多新应用。

正如我们在本文中看到的,可以将时间换成带宽,这可以有利地用于定位。但是它也可以提供其他优点。

未完待续。。
 

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