蘋(píng)果新推出的iphone 11設(shè)備包括一款具有超寬帶(UWB)技術(shù)的"U1"芯片。

這其實(shí)不是什么新技術(shù)，但這是第一次出現(xiàn)在現(xiàn)代智能手機(jī)上。

圖1 iphone 11

這不僅僅是關(guān)于iPhone，Android手機(jī)也可以獲得UWB。

UWB的概念

超寬帶(UWB)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中使用的一種通信方式，它使用低功耗來(lái)實(shí)現(xiàn)高帶寬連接。

換句話說(shuō)，它意味著在不使用太多功率的情況下，在短距離內(nèi)傳輸大量數(shù)據(jù)。

Note:超寬帶曾被稱(chēng)為脈沖無(wú)線電或數(shù)字無(wú)線脈沖，但現(xiàn)在被稱(chēng)為超寬帶和超波段，或簡(jiǎn)稱(chēng)為超寬帶。

超寬帶無(wú)線電在更大的頻譜范圍內(nèi)發(fā)送短信號(hào)脈沖。

這意味著數(shù)據(jù)一次通過(guò)多個(gè)頻率信道傳輸，這種方法在超過(guò)500MHz的信道傳輸中很常見(jiàn)。

圖2中展示出了一種典型的高斯雙列接收uwb脈沖形狀。

圖2 高斯脈沖

這種脈沖通常用于超寬帶系統(tǒng)，因?yàn)樗男螤詈苋菀桩a(chǎn)生。

超寬帶脈沖通常是納秒級(jí)或皮秒級(jí)。

圖3顯示出了高斯雙列的頻譜。

圖3 高斯脈沖的頻譜

由于超寬帶系統(tǒng)是一種非常短的持續(xù)時(shí)間脈沖，所以可以更好的對(duì)付多徑效應(yīng)。

超寬帶系統(tǒng)的巨大帶寬與其它傳統(tǒng)的窄帶NB系統(tǒng)相比，可以顯示出許多重要的優(yōu)勢(shì)。

圖4 上排為窄帶通信，下排為超寬帶通信

例如，以5GHz為中心的uwb信號(hào)通?？缭?GHz和6GHz。

寬信號(hào)允許UWB通常支持480Mbps的高無(wú)線數(shù)據(jù)速率，高達(dá)1.6Gbps，距離可達(dá)幾米。

與擴(kuò)頻相比，超寬帶的廣泛使用意味著它不干擾同頻段的其它傳輸，如窄帶和載波傳輸。

從功耗角度看，UWB技術(shù)還有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

由于將UWB信號(hào)的能量擴(kuò)展到一個(gè)大頻帶上，天線可用的最大功率(作為UWB系統(tǒng)的一部分)將小到0.5mw。

與目前在不同無(wú)線電通信系統(tǒng)中使用的功率相比，這個(gè)功率是一個(gè)非常小的值。

圖5顯示了一些無(wú)線廣播和通信系統(tǒng)的功率譜密度(PSD)，如UWB、無(wú)線電、電視、2G蜂窩和WLAN。PSD被定義為在工作帶寬上傳輸?shù)目偣β省?/p>

圖5 不同通信系統(tǒng)的功率譜密度

UWB技術(shù)最重要的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜度低、成本低。

超寬帶系統(tǒng)幾乎可以"全數(shù)字化"，使用最小的射頻(RF)或微波電子。

低的組件計(jì)數(shù)會(huì)降低成本，而較小的芯片大小必然會(huì)導(dǎo)致低成本的系統(tǒng)。

Ultra-Wideband超寬帶有什么用途？

在iPhone 11發(fā)布期間，蘋(píng)果并沒(méi)有提到這一特性，但蘋(píng)果的網(wǎng)站上已經(jīng)提到了這一點(diǎn)。正如蘋(píng)果所言，超寬帶技術(shù)提供了"空間感知"。

圖6 UWB

以下為蘋(píng)果的廣告語(yǔ)：

超寬頻技術(shù)加入 iPhone。Apple全新設(shè)計(jì)的U1芯片采用超寬頻技術(shù)，讓iPhone 11具備空間感知能力，可感應(yīng)附近其他配備U1芯片的Apple設(shè)備，并準(zhǔn)確判斷出彼此的位置關(guān)系。你可以把它想象成覆蓋你家整個(gè)客廳的GPS，如果你希望通過(guò)隔空投送與人共享文件，只需用你的 iPhone對(duì)準(zhǔn)他們的 iPhone，對(duì)方就會(huì)出現(xiàn)在列表最上方。

起初，蘋(píng)果只宣傳了一個(gè)uwb功能：你可以把你的iPhone指向別人的iPhone，Airdrop空投就會(huì)知道你可能想把東西寄給他們。

Airdrop使用了UWB技術(shù)。

而之前，你的iPhone只是用藍(lán)牙來(lái)了解你周?chē)娜?。它不知道你在看誰(shuí)，也不知道他們?cè)谀睦铩?/p>

有了指向性，Airdrop空投就會(huì)變得更好。

換句話說(shuō)：這項(xiàng)功能允許iPhone或任何其他實(shí)現(xiàn)它的智能手機(jī)精確地檢測(cè)其他物體在物理空間中的位置。

這在今天的智能手機(jī)上是缺乏的。

UWB怎么工作?

與藍(lán)牙和wi-fi一樣，超寬帶是一種使用無(wú)線電波的無(wú)線通信協(xié)議。

超寬帶提供高帶寬和低功率使用，但它只工作在短距離。

這就是為什么其他無(wú)線技術(shù)，如藍(lán)牙和wi-fi仍然有用：它們的范圍更長(zhǎng)。

與"窄帶"技術(shù)不同，UWB在更寬的頻率(500MHz以上)傳輸數(shù)據(jù)。

圖7 蘋(píng)果的AirDrop應(yīng)用

藍(lán)牙和wi-fi是在檢測(cè)距離和位置方面不太行。

當(dāng)然，一個(gè)信號(hào)更強(qiáng)的設(shè)備可能比一個(gè)信號(hào)較弱的設(shè)備更接近，但這是你所能檢測(cè)到的全部。

但這樣存在一個(gè)問(wèn)題，就是信號(hào)可以被提升來(lái)欺騙系統(tǒng)。

iphone將測(cè)量信號(hào)的往返時(shí)間，不是依賴(lài)于信號(hào)強(qiáng)度，以確定它與另一臺(tái)設(shè)備的距離。

通過(guò)多個(gè)天線，UWB還可以測(cè)量信號(hào)到達(dá)的角度。

精確的角度加上精確的距離意味著你的iPhone可以將物體定位到一個(gè)相當(dāng)精確的空間位置。

圖8 定位服務(wù)

蘋(píng)果的u1芯片和超寬帶將如何工作的，具體細(xì)節(jié)尚不清楚，因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)有不同的版本。

蘋(píng)果公司還沒(méi)有公布所有的技術(shù)規(guī)格。

不過(guò)，為工業(yè)環(huán)境提供超寬帶室內(nèi)定位服務(wù)的infsoft公司表示，其系統(tǒng)的精度在10-30厘米之間，而藍(lán)牙信標(biāo)的定位精度在1-3米之間，而wi-fi則在5-15米之間。

UWB在iPhone 11里做什么？

這項(xiàng)技術(shù)是iPhone 11、iPhone 11 Pro和iPhone 11 Pro的一部分。

更好地優(yōu)先安排附近人員的空投共享，這只是UWB將提供的第一個(gè)功能。

根據(jù)蘋(píng)果的說(shuō)法，"這就像給iPhone增添了另一種感覺(jué)，它將帶來(lái)令人驚嘆的新功能。"

人們想到的最大的能力是跟蹤物理物體。

據(jù)報(bào)道，蘋(píng)果正在開(kāi)發(fā)自己的硬件跟蹤標(biāo)簽。

把它附加到一個(gè)物體上-比如你的鑰匙鏈、錢(qián)包或袋子。

你可以用你的手機(jī)追蹤物體的位置。據(jù)報(bào)道，這些將使用UWB，盡管蘋(píng)果還沒(méi)有正式宣布該產(chǎn)品。

圖9 追蹤物體

在未來(lái)，UWB可以使iPhone在沒(méi)有聲音的情況下更精確地檢測(cè)跟蹤器。

換句話說(shuō)，你的iPhone可以向你展示你的鑰匙鏈可能掉進(jìn)沙發(fā)靠墊里-甚至可以用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)向你展示屏幕上的位置。

這只是一個(gè)用途。

U1芯片是"超寬帶革命的開(kāi)始"。

智能技術(shù)可以精確地知道人類(lèi)(攜帶超寬帶(UWB)手機(jī))在哪里。

跟蹤器以外的設(shè)備可以更好地集成到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序中。

手機(jī)可以用于無(wú)鑰匙的汽車(chē)進(jìn)入-汽車(chē)可以使用超寬帶來(lái)驗(yàn)證你站在它旁邊，然后打開(kāi)它的門(mén)。

超寬帶可以使許多酷的新事物成為可能。

總結(jié)

這一功能首先出現(xiàn)在蘋(píng)果的新iPhone上，但沒(méi)有什么能阻止android手機(jī)實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的超寬帶功能。

如果UWB被證明是有用的，我們預(yù)計(jì)Android手機(jī)制造商也會(huì)效仿，并將其包括在內(nèi)，帶來(lái)超寬帶革命。

UWB在2002年之前，主要用于雷達(dá)、遙感等軍事領(lǐng)域。現(xiàn)在，它已經(jīng)開(kāi)始走進(jìn)手機(jī)、家庭、工廠等民用領(lǐng)域了。

超寬帶技術(shù)說(shuō)白了，就是通過(guò)對(duì)具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖進(jìn)行直接調(diào)制，使信號(hào)具有GHz量級(jí)的帶寬。

（為什么？參看我之前的文章：傅里葉變換：傅里葉級(jí)數(shù)到FT變換，離散到連續(xù)的演變

超寬帶技術(shù)解決了困擾傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，它具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、低截獲能力、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供數(shù)厘米的定位精度等優(yōu)點(diǎn)。

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