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超寬帶的故事

2020-03-12 12:55:25 來源:EETOP編譯整理自semiwiki
第1部分:創世紀

在1912年4月14日深夜,泰坦尼克號發出了求救消息,它剛撞上冰山,正在下沉。盡管廣播緊急無線求救信號在今天是司空見慣的,但這在當時卻是最尖端的技術!這得益于過去20年間發明的寬帶無線電發射技術:火花隙式發射機。

此項由赫茲(Heinrich Hertz)在1880年代開發的火花隙式無線電得到了馬可尼的改進,他于1901年成功在大西洋上發送了第一次無線電傳輸。根據1912年的《無線電法》,要求所有航海船只必須保持24小時的無線電監視。火花隙式無線電當時是最先進的技術,可實現艦船之間的無線通信,并用于第一次世界大戰。

火花隙式無線電的架構與當前無線收發器(包括我們的手機,WiFi網絡和藍牙設備)中所使用的架構有很大不同。現代窄帶通信系統調制連續波形射頻RF)信號以發送和接收信息。但是在20 世紀之交,火花隙發射器通過電火花產生電磁波,沒有窄帶射頻信號被調制。使用通過電弧在兩個導體之間的間隙上放電的電容來產生火花。這些非常短的時間放電會在導線中產生振蕩電流,然后激發出電磁波,并且可以在很遠的距離傳輸和拾取。根據眾所周知的時頻對偶原理,類似于電火花的短時間脈沖會在頻率上產生寬帶信號。

值得注意的一點是,火花隙無線電不能支持連續信號的傳輸,例如聲音信號。一條信息必須由一系列的火花組成,傳送離散的信息片段,這使其成為了第一臺數字無線電。這種特性非常適合傳輸莫爾斯碼。然而,當時人們認為,使用火花隙無線電不可能在不丟失信息的情況下傳輸語音或音樂等連續信號。香農和奈奎斯特花了幾十年的時間才揭示了如何利用數字調制技術實現這一點。

數字調制知識上的這種差距,再加上難以產生高功率火花隙傳輸,是對火花隙無線電致命的缺點。第一次世界大戰后,使用真空管開發了基于載波的發射器,產生了可以傳送音頻的連續波。如今,幾乎所有的無線收發器都使用相同的架構,該架構基于美國工程師埃德溫·阿姆斯特朗(EdwinArmstrong) 1918年的工作。這種結構稱為超外差無線電,它使用混頻將接收到的窄帶信號轉換為相對較低的中頻(IF),即然后在基帶電路中進行處理。這項創新從1920年左右開始催生了AM收音機,十年后又出現了FM收音機。到1920年代后期,唯一仍在運行的火花發射器是海軍艦船上的傳統裝置,到此時寬帶無線電實際上已經消亡。

100年后的重生

那么,蘋果為什么要在2019年發布帶有超寬帶(UWB)收發器的iPhone 11呢?這種收發器是在他們的新U1無線處理器芯片上實現的。要找到這個問題的答案,需要對追溯到上世紀中葉的線索進行一些偵探工作。

第一個線索是20世紀30年代和二戰期間世界各地的頂級機密實驗室開發的另一種基于脈沖的寬帶無線電技術:雷達。雷達的故事已經講過很多次了,他在英國戰役和太平洋海戰中都具有舉足輕重的優勢。

為了便于討論,RADAR能夠確定物體的范圍,角度和速度。戰爭結束后,基于脈沖的收發器又開始蓬勃發展,如今已用于軍事領域。從1960年代到1990年代,這項技術僅限于機密計劃下的軍事應用,包括定位和通信技術。到1980年代中期,UWB先驅者(例如美國天主教大學的Harmuth和Sperry Rand Corp的Ross和Robbins)獲得了廣泛的研究論文,書籍和專利。由于寬帶具有獨特的傳送位置數據的能力,這種巨大的信息源重新激發了人們對UWB系統的興趣。

雷達能夠確定目標的距離、角度和速度。戰爭結束后,基于脈沖的收發器又開始蓬勃發展,如今已用于軍事領域。從1960年代到1990年代,這項技術僅限于機密計劃下的軍事應用,包括定位和通信技術。到1980年代中期,UWB先驅者(例如美國天主教大學的Harmuth和Sperry RandCorp的Ross和Robbins)等人的大量的研究論文,書籍和專利。由于寬帶具有獨特的傳送位置數據的能力,這種巨大的信息源重新激發了人們對超寬帶系統(UWB)的興趣。

蘋果對UWB的首次使用是提供定位數據。在增強現實(AR)、虛擬現實(VR)、游戲、設備恢復、文件共享和廣告信標等領域,有許多應用可以使用。我們將在第3部分中進一步探討UWB定位技術。但是,定位應用并不是蘋果構建一個定制的硅UWB芯片實現的充分理由。

第二部分:第二次失敗

過于設計完美,被Wi-Fi擊敗

隨著1990年代對無線通信的需求增長,超寬帶(UWB)的優勢變得更加明顯。但是,UWB系統的商業部署需要在頻率分配,諧波和功率限制等方面達成全球協議。隨著對UWB商業化的興趣增加,UWB系統的開發人員開始向FCC施加壓力,要求其批準用于商業用途。2002年,聯邦通信委員會(FCC)最終允許了未經許可使用的UWB系統。幾年后,歐洲電信標準協會(ETSI)也制定了自己的標準,但不幸的是,這些標準與FCC的略有不同。隨后是其他地區也采用了FCC或ETSI的標準。

UWB系統使用短時(即皮秒到納秒)的電磁脈沖來傳輸和接收信息。它們還具有非常低的占空比,占空比定義為出現脈沖的時間與總傳輸時間之比。根據2000年代設定的發射標準,將UWB信號定義為頻譜大于500 MHz的信號。現在,大多數國家/地區已同意將UWB的最大輸出功率定義為-41.3 dBm/MHz。

隨著規范的到位,公司開始組建聯盟以標準化物理層和媒體訪問控制(MAC)層。WiMedia聯盟于2002年成立,是一個非營利性行業貿易組織,致力于促進UWB技術的采用,監管,標準化和多廠商互操作性。隨后,無線USB促進小組和UWB論壇在2004年發表。

為了了解這些聯盟所做的選擇,我們應該將它們結合起來。在2002年,WiFi是一項相對較新的技術。自1999年以來可用的802.11b路由器在2.4GHz頻帶上的理論最大速度為11Mbit/s。802.11a標準也是在1999年定義的,并承諾在5GHz頻段上理論上的最高速度為54Mbit/s,但由于其芯片組成本較高,因此在消費領域并未受到關注。2003年,引入了802.11g標準,在2.4GHz頻帶中理論上提供的最高速度為54Mbit/ s。盡管802.11g標準取得了巨大的成功,但數據速率仍然受到擁擠的2.4GHz頻帶的限制,2.4GHz頻帶是當時無線LAN的骨干力量,此外微波爐和無繩電話也在使用2.4GHz!

考慮到這些限制,提出了新一代的UWB實際上,FCC在3.1至10.6 GHz之間分配的7.5 GHz帶寬對于無線通信工程師而言是極為寶貴的資源。這就是基于UWB多頻帶正交頻分復用(OFDM)提出了以480 Mbit / s的數據速率進行短距離(幾米)文件傳輸的規范的方法。經過幾年的發展,首款零售產品于2007年中期開始發貨。這是一種過度設計的無線電,它以相對經典的方式復用了多個寬帶載波,并且本質上不是類似于火花隙無線電的基于脈沖的無線電。

盡管OFDM UWB帶來了很大的影響,并且產品前景光明,但在2000年代后期,它的引入市場卻遇到了一場完美的風暴。2008年的經濟大衰退,導致消費電子產品的零售額大幅下降。此外,雖然不同的UWB聯盟致力于開發新產品,但WiFi聯盟并沒有停滯不前。經過多年的發展和談判,2006年,他們發布了802.11n標準的初稿。它支持多輸入多輸出(MIMO)概念以多路復用信道,因此被開發為提供高達600Mb/s的數據速率。盡管該標準的最終版本未在2009年10月之前發布,但支持該標準草案的路由器于2007年開始搶先發售。

OFDM UWB的最后一個釘子來自技術本身。當時提出的OFDM UWB收發器RF體系結構的復雜性及其嚴格的時序要求導致了相對較高的產品成本。

事件與技術過度設計的芯片組的結合標志著高速UWB無線電的消亡。WiQuest當時是UWB芯片組的領導者,它在2008年初占據了市場的85%,于2008年10月31日停止運營。由于與WiMedia聯盟形成鮮明對比的方式,UWB論壇因未能達成標準而被解散。WiMedia聯盟在將其所有規范和技術轉讓給無線USB促進組織和藍牙特殊利益組織之后,于2009年停止運營。但是,藍牙特別興趣小組(Bluetooth Special Interest Group)在同年放棄了將UWB作為藍牙3.0一部分的開發。

不幸的是,在第一個基于火花隙無線電的超寬帶系統退役后大約整整一個世紀之后,這種基于OFDM無線電架構的超寬帶無線電的新版本已不再受歡迎。但是,面對種種困難,世界將不必再等一個世紀才能看到新的和改進的UWB無線電實現。實際上,火花隙無線電將成為UWB復興的靈感之源,UWB的這種彈性將在本系列的第三部分中進行討論。

由于在技術上過度設計的芯片組的結合標志著高速超寬帶無線電的消亡。當時UWB芯片組的領導者,WiQuest在2008年初占有85%的市場份額,在2008年10月31日停止了運營。由于與WiMedia聯盟的方法不同,超寬頻論壇未能就一項標準達成一致,隨后被解散。在將所有的規格和技術轉移到無線USB推廣組和藍牙特別興趣組之后,WiMedia聯盟在2009年停止了運營。然而,藍牙特別興趣小組在同年放棄了作為藍牙3.0一部分的超寬帶開發。

第三部分:超寬帶的復興

雖然前期UWB被Wi-Fi所擊敗,但實際上,UWB的歷史要復雜得多:當高速無線UWB提議逐漸消失時,其他UWB應用也在蓬勃發展。

從第二次世界大戰開始,微波系統的迅速發展為超寬帶系統的發展鋪平了道路。1960年代,勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)和洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)正在研究脈沖發射器,接收器和天線。這些研究項目不是純粹的學術研究。確實有很大的動力去開發脈沖系統:UWB可以提供超高分辨率,然后可以用于對象定位,表征和識別。到1970年代,UWB雷達主要用于軍事應用。隨著研究的不斷進展,發現了其他應用,并且在1990年代末,多個UWB雷達被廣泛應用:林業應用,城市區域的穿墻檢測,

為了真正理解UWB的吸引力,我們首先必須掌握傅里葉變換所包含的時頻對偶性(參考:。簡而言之,這種對偶性表明,無限長的周期性時間信號,其帶寬將無限小。另一方面,無限短的脈沖信號,則其帶寬將無限大。換句話說,這意味著你可以將時間用于帶寬。你為什么要那樣做?這樣做的原因有很多,但是非常重要的一個原因是可以實現超高分辨率的定位。

確定射頻設備之間距離的基本方法有兩種:可以使用信號的接收信號強度(RSS)或飛行時間(ToF)。RSS是一種非常簡單的實現技術,可以被任何無線收發器使用,因此使用非常廣泛。但是,它的準確性受到嚴格限制:兩個固定物體之間的感知距離將根據其直接路徑中的障礙物而變化。例如,如果有兩個相隔10米的設備,但被一堵磚墻分開,提供了12dB的衰減,則您會認為這兩個設備相距40米。ToF解決了這個問題。通過測量從一個設備到另一個設備所花費的時間,您可以精確地提取兩個對象之間的距離。

ToF顯然是在空間中精確定位對象的方法。但是,缺點之一是需要處理光速。實際上,光傳播10厘米僅需333皮秒。如果要以厘米精度測量物體之間的距離,則系統中將需要亞納秒精度。實現此精度的最簡單方法是發送時間非常短的信號,由于時間頻率對偶性,因此需要UWB信號。

使用ToF精確測量距離的可能性在很大程度上解釋了最近幾年UWB的復興。準確定位的市場在多個領域都在快速增長,并且在未來幾年中將繼續保持兩位數的增長。現在有多家公司加入了UWB市場,最近的一家公司是蘋果公司,其iPhone 11配備了UWB芯片U1,看似是自己設計的。具有實現實時定位系統(RTLS)的能力,UWB在工業4.0,物聯網和車輛等眾多市場中實現了眾多新應用。

正如我們在本文中看到的,可以將時間換成帶寬,這可以有利地用于定位。但是它也可以提供其他優點。

未完待續。。
 

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