超宽带——未来领导者

主流无线技术有哪些？

无线通信是电学领域最重要的发展之一，可以追溯到1887年，当时Heinrich Hertz演示了如何通过电生成无线电信号，并利用火花间隙和大铜线接收信号。现代无线通信系统非常先进，采用复杂的电路设计以实现高速数据传输，同时仅需少量能量完成操作。
 
迄今为止最着名的无线通信方式可以说是无线保真（Wi-Fi）。它被广泛应用于家庭、办公室和工业场所。Wi-Fi能够支持高数据传输速率，同时提供良好的覆盖范围，并支持多设备连接。
 
蜂窝通信是紧随其后的另一个大型无线通信系统。它可以让手持移动设备进行电话通话，并访问互联网。蜂窝网络相比Wi-Fi能支持更多的设备，同时拥有更远的通信范围。
 
Bluetooth 是一种专注于能效和便利性的无线技术。与Wi-Fi及蜂窝网络不同，Bluetooth的数据传输速率很低，范围也非常小（仅几米距离）；但是，它所需的能源量极小。这点非常适用于带有电池的便携式设备，因为这些设备能在不频繁充电的情况下保持长时间连接。
 
近场通信是现今使用范围最短的通信方式。其几厘米的小范围为需要非接触式进入的安全系统及无需密码的支付方式提供了便利。

现代应用中无线通信系统面临哪些挑战？

过去二十年来，由于无线设备带来的无电缆便利性，电子设备逐渐从有线设备转变为无线设备。消除电缆的需求变得如此强烈，以至于市场上的一些电子设备现在提供无线充电功能。
 
然而，缺少 电缆 意味着设备需要储存能源以便操作，而这种能源几乎总是来自电池。对于工程师而言，在试图实现无线系统时，这种对电池的依赖产生了问题，因为无线通信可能非常耗能。
 
仅需通信几米距离的设备可以使用非常节能的蓝牙技术。然而，需要传输大量信息或者通过更远距离进行通信的设备则需要使用如Wi-Fi等技术，而这可能会快速耗尽电池。这也带来了问题，因为电池还需要为屏幕、 处理器 以及用户 I/O 提供动力。
 
诸如资产追踪这样的功能也正变得越来越流行，但它们无法通过当前的无线技术可靠地实现。 GPS 不是所有设备都具备功能，即使有，GPS 的精度通常在5米到30厘米之间，这使得它完全无法用于室内追踪。Wi-Fi仅能提供约5米的精度，而蓝牙可提供3米精度。未来需要实时室内追踪设备能力的应用将需要更高的精度（小于10厘米）。

什么是超宽带？

超宽带是一种无线通信技术，使用宽频带（与其他无线通信技术相比）来传输信息。
 
大多数典型的无线技术通过调制载波信号来传递信息，而这种调制方式可以是载波波幅（振幅）、载波波频率（频率）或载波波相位（相位）。这些传递信息的方法通常具有窄频率范围（即带宽），这意味着它们的大部分无线电功率集中在特定频率范围。例如，在Wi-Fi情况下，无线电带宽通常为20 MHz到40 MHz，中心频率范围是2.4 GHz或5 GHz。
 
然而，UWB使用范围非常大的带宽，可能达到吉赫兹范围。这一频率范围可以轻松包含多种无线电技术（如Wi-Fi），而不会与它们相互干扰。
 
如果不深入分析UWB的复杂性，UWB能够做到这一点，因为它发送的信号在整个频谱范围内低于噪声底线。这并不意味着UWB在背景噪声水平以下传输无线电波，而是国际标准定义的每单位时间内UWB发送的能量低于噪声底线的限制。可以将其比作在体育场内每分钟发出一次响亮的拍手声，虽然单个拍手声非常响亮，但每分钟的平均噪声几乎是无声的。
 
UWB在一个广泛的频率范围发送单个无线电能量波，通常是单周期波。让UWB变得引人入胜的是，由于单个能量波的生成，发射器会在广泛频谱范围内发送信号（类似于方波生成谐波的方式）。
 
通过UWB每秒会发送数百万甚至数十亿个这样的能量波，并且这些能量波之间的间隔均匀，这使得UWB接收器可以隔离UWB信号。此外，其他接收技术（非UWB）通常会自然忽略UWB信号，不论是因为没有频率调制、无线电能量非常低或相位变化太窄。
 
总结来说，UWB在广泛频谱范围内发送微小的无线电能量波，而对于普通接收器来说这些波看起来就是噪声。这些能量波间隔均匀，可以被UWB接收器恢复，而UWB信号的平均能量低于标准通信的噪声底线。

UWB的优势是什么？

与现有技术相比，UWB 具有许多优势，且低成本相控阵天线的开发进一步推动了其应用的增加。然而，需要说明的是，UWB 作为一项技术非常适合辅助现有技术，而并非设计用来完全取代任何其他技术。
 
UWB 的第一个主要优势是能耗极低。其他技术（如 Wi-Fi 和蜂窝网络）需要使用长距离的载波信号，这非常耗能。减少载波波形的能量使用基本上就是蓝牙所做的，但代价是范围和数据传输速率的下降。利用微小的射频脉冲有助于减少瞬时能量使用，而使用宽频谱则允许更高效地使用能量（请记住，窄带信号会浪费超出带宽的能量）。
 
UWB 的第二个主要优势是范围。根据频率不同，无线电通信往往会被墙壁、门和树木等障碍物阻挡。使用单一频率的载波波形意味着任何能够阻挡该频率信号的障碍都会导致信号严重衰减（一个比喻是把所有的鸡蛋放在一个篮子里）。
 
然而，UWB 使用的是宽频谱，所有的频率具有不同的行为表现并采取不同的路径。因此，能够屏蔽某一特定频率的任何障碍物都无法屏蔽 UWB 中使用的其他所有频率。因此，UWB 信号在绕过障碍物方面表现得异常优秀，还能够穿透墙壁。
 
UWB 的第三个主要优势是：宽频率范围与射频脉冲的结合，允许其实现类似雷达的高级功能，使得 UWB 设备可以被准确定位。尽管像 Wi-Fi 和蓝牙这样的无线技术可以提供几米范围的定位精度，UWB 能够实现 10 厘米的精确度。这使得 UWB 能够在需要资产追踪的应用中使用，同时也提供设备之间的通信功能。

超宽带技术及其应用

在考虑超宽带 (UWB) 的优势时，很明显，UWB 非常适合于需要低能耗、长距离和跟踪能力的应用。虽然 UWB 可以用于高速数据传输，但它不太可能与专为大数据传输设计的技术（如蜂窝网络和 Wi-Fi）竞争。
 
UWB 的一个非常适合的应用是物联网 (IoT) 设备。随着技术的不断进步，物联网设备无疑将变得越来越小型化。结合小型化与远程操作的需求，UWB 成为完美的选择。UWB 的低能耗需求使物联网设备能够长时间运行而无需充电，而 UWB 的长距离能力则使物联网设备可以分布在广阔区域内。
 
UWB 还非常适合需要资产跟踪的应用。UWB 已经在一些资产跟踪产品（如 Apple Airtag）中使用，证明了 UWB 的能力。在未来包含数百甚至数千台需要知道位置的联网设备的工业场所中，资产跟踪也将变得至关重要。例如，将物品从一个仓库移动到另一个仓库的自动货运车可以利用 UWB 实现相对于其他设备的实时定位。
 
UWB 在汽车领域也具有真正的潜力，它利用 UWB 的跟踪能力可以让车辆对其周围环境更为感知。多个配备了 UWB 系统的车辆可以相互交流其速度、位置和加速度，这可能会促使高级安全功能的实现，例如预判碰撞检测。
 
在车辆中使用 UWB 还可以惠及佩戴 UWB 设备的行人；当车辆高速行驶时，可以检测到行人是否横穿车流，并可以提醒行人退回或以受控方式刹车。

UWB技术的未来

UWB是一种与主流通信方式（如Wi-Fi和蓝牙）截然不同的通信方式。通过在宽频谱上使用无线电脉冲，UWB能够与其他技术同时工作，同时宽频谱的使用使其具备先进功能，例如精确追踪。此外，在规定的时间间隔内使用无线电信号有助于减少能源消耗，同时保持高数据传输速率，而短时间内的大型信号则能支持最长50米的通信距离（与Wi-Fi相当）。
 
UWB不会替代或与其他技术竞争，因为每种使用的技术都有其自身的优势。然而，它无疑将在未来的IoT和IIoT应用中占据重要地位，甚至可能在汽车环境中发挥作用。