信息通信科技超宽带UWB将开启一个新

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年4月14日深夜，RMS泰坦尼克号发送了一条求救信息：它刚刚撞上冰山，正在下沉。尽管广播紧急无线信号今天是常见的，但在20世纪初，这是最尖端的技术。这得益于过去20年开发的宽带无线电的发明：火花隙发射器（spark-gaptransmitter）。

火花隙无线电由HeinrichHertz在年代开发，由GuglielmoMarconi改进，他于年成功地跨大西洋发送了第一个无线电传输。泰坦尼克号灾难之后，使用火花隙发射机的无线电报迅速在大型轮船普及，年的《无线电法》更是要求所有航海船只保持24小时的无线电值班。火花隙无线电是当时最先进的技术，可实现船舶之间的无线通信，并在第一次世界大战期间使用。

火花隙无线电的架构与我们目前用在手机、WiFi网络和蓝牙设备的无线收发器架构有很大不同。现代窄带通信系统调制连续波形射频(RF)信号以传输和接收信息。但在当时，火花隙发射器通过电火花产生电磁波，并且没有调制窄带射频信号。火花是使用通过跨两个导体之间的间隙的电弧放电的电容产生的。这些非常短的时间放电会在电线中产生振荡电流，然后激发出一种电磁波，该电磁波辐射出去并且可以在很远的距离内被电磁波拾取。根据众所周知的时频二元性原理，类似于电火花的时间上的短脉冲会产生频率上的宽带信号，这是二十多年来通信的基础。

需要注意的有趣一点是火花隙收音机无法支持连续传输，例如声音信号。一条消息必须由一系列火花组成，传输离散的信息片段，使其成为第一个数字收音机。这种特性非常适合传输摩尔斯电码。然而，当时人们认为火花隙收音机不可能在不丢失信息的情况下传输连续的信号，如语音或音乐。香农和奈奎斯特早在几十年前就展示了如何使用数字调制技术来做到这一点。

数字调制知识的这种差距，加上难以产生高功率火花隙传输是火花隙无线电的致命缺点。第一次世界大战后，使用真空管开发了基于载波的发射器，产生可以携带音频的连续波。如今，几乎所有无线收发器都使用相同的架构，这一切都基于美国工程师EdwinArmstrong在年的工作。称为超外差无线电，这种架构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处理。从年左右开始，这项创新催生了AM收音机，十年后又出现了FM收音机。到年代后期，唯一仍在使用的火花发射器是海军舰艇上的传统装置。宽带无线电实际上已经死了。

年后宽带的重生

为什么Apple会在年发布带有超宽带(UWB)收发器的iPhone11，该收发器是在其新的U1无线处理器芯片上实现的。答案需要一些侦探工作来寻找可以追溯到上世纪中叶的线索。

第一条线索是年代和第二次世界大战期间在世界各地的绝密实验室开发的另一种基于脉冲的宽带无线电技术：雷达。RADAR的故事已经讲过很多次了；它在不列颠海战和太平洋海战中都提供了关键优势。

为了更好地简述本次的技术，我们来重温一下雷达的原理。RADAR能够确定物体的范围、角度和速度。战后，基于脉冲的收发器再次开始获得发展动力。从年代到年代，这项技术被限制在机密程序下的军事应用，既是定位又是通信技术。到年代中期，美国天主教大学的Harmuth和SperryRandCorp的Ross和Robbins等UWB先驱的大量研究论文、书籍和专利变得可用。由于宽带提供位置数据的独特能力，这一重要的信息来源重新引起了人们对UWB系统的兴趣。

苹果对UWB的第一个用途是提供定位数据。定位支持增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、游戏、设备恢复、文件共享和广告信标等领域的许多应用。

被Wi-Fi击败

在上文中，我们讲述了宽带无线电的诞生。事实上，宽带无线电的故事还没有结束……

随着年代无线通信需求的增长，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商业化兴趣的增加，UWB系统的开发商开始向FCC施压，要求批准其用于商业用途。年，联邦通信委员会(FCC)终于允许未经许可使用的UWB系统。几年后，欧洲电信标准协会(ETSI)制定了自己的法规，遗憾的是与FCC法规略有不同。其他地区紧随其后，通常与FCC或ETSI保持一致。

UWB系统使用短时（即皮秒到纳秒）电磁脉冲来传输和接收信息。它们还具有非常低的占空比，其定义为脉冲出现的时间与总传输时间的比率。根据年代制定的发射法规，UWB信号被定义为频谱大于MHz的信号。大多数国家现在都同意UWB的最大输出功率，定义为-41.3dBm/MHz。

随着法规的到位，公司联盟开始形成，以标准化物理层和媒体访问控制(MAC)层。年，WiMedia联盟成立，这是一个非营利性行业贸易组织，旨在促进UWB技术的采用、监管、标准化和多供应商互操作性。年，无线USB推广组和UWB论坛紧随其后。

为了理解这些联盟所做的选择，我们应该将它们置于语境中。在年，WiFi还是一项相对较新的技术。.11b路由器于年推出，使用2.4GHz频段时的理论最大速度为11Mbit/s。.11a标准也是在年定义的，并承诺在5GHz频带中的理论最大速度为54Mbit/s，但由于其较高的芯片组成本，在消费领域没有受到

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