色另类_婷婷激情四月_亚洲精品无码不卡在线播放he_欧美第七页_精品国产综合区久久久久99_青娱乐极品盛宴在线

1912 年 4 月 14 日深夜，RMS 泰坦尼克號發(fā)送了一條求救信息：它剛剛撞上冰山，正在下沉。盡管廣播緊急無線信號今天是常見的，但在20世紀(jì)初，這是最尖端的技術(shù)。這得益于過去 20 年開發(fā)的寬帶無線電的發(fā)明：火花隙發(fā)射器（ spark-gap transmitter）。

 

 

火花隙無線電由 Heinrich Hertz 在 1880 年代開發(fā)，由 Guglielmo Marconi 改進(jìn)，他于 1901 年成功地跨大西洋發(fā)送了第一個無線電傳輸。泰坦尼克號災(zāi)難之后，使用火花隙發(fā)射機(jī)的無線電報迅速在大型輪船普及，1912 年的《無線電法》更是要求所有航海船只保持 24 小時的無線電值班。火花隙無線電是當(dāng)時最先進(jìn)的技術(shù)，可實現(xiàn)船舶之間的無線通信，并在第一次世界大戰(zhàn)期間使用。

 

火花隙無線電的架構(gòu)與我們目前用在手機(jī)、WiFi 網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙設(shè)備的無線收發(fā)器架構(gòu)有很大不同。現(xiàn)代窄帶通信系統(tǒng)調(diào)制連續(xù)波形射頻 (RF) 信號以傳輸和接收信息。但在當(dāng)時，火花隙發(fā)射器通過電火花產(chǎn)生電磁波，并且沒有調(diào)制窄帶射頻信號。火花是使用通過跨兩個導(dǎo)體之間的間隙的電弧放電的電容產(chǎn)生的。這些非常短的時間放電會在電線中產(chǎn)生振蕩電流，然后激發(fā)出一種電磁波，該電磁波輻射出去并且可以在很遠(yuǎn)的距離內(nèi)被電磁波拾取。根據(jù)眾所周知的時頻二元性原理，類似于電火花的時間上的短脈沖會產(chǎn)生頻率上的寬帶信號，這是二十多年來通信的基礎(chǔ)。

 

需要注意的有趣一點是火花隙收音機(jī)無法支持連續(xù)傳輸，例如聲音信號。一條消息必須由一系列火花組成，傳輸離散的信息片段，使其成為第一個數(shù)字收音機(jī)。這種特性非常適合傳輸摩爾斯電碼。然而，當(dāng)時人們認(rèn)為火花隙收音機(jī)不可能在不丟失信息的情況下傳輸連續(xù)的信號，如語音或音樂。香農(nóng)和奈奎斯特早在幾十年前就展示了如何使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)來做到這一點。

 

數(shù)字調(diào)制知識的這種差距，加上難以產(chǎn)生高功率火花隙傳輸是火花隙無線電的致命缺點。第一次世界大戰(zhàn)后，使用真空管開發(fā)了基于載波的發(fā)射器，產(chǎn)生可以攜帶音頻的連續(xù)波。如今，幾乎所有無線收發(fā)器都使用相同的架構(gòu)，這一切都基于美國工程師 Edwin Armstrong 在 1918 年的工作。稱為超外差無線電，這種架構(gòu)使用混頻將接收到的窄帶信號轉(zhuǎn)換為相對較低的中頻 (IF)，即然后在基帶電路中處理。從 1920 年左右開始，這項創(chuàng)新催生了 AM 收音機(jī)，十年后又出現(xiàn)了 FM 收音機(jī)。到 1920 年代后期，唯一仍在使用的火花發(fā)射器是海軍艦艇上的傳統(tǒng)裝置。寬帶無線電實際上已經(jīng)死了。

 

100 年后寬帶的重生

 

為什么 Apple 會在 2019 年發(fā)布帶有超寬帶 (UWB) 收發(fā)器的 iPhone 11，該收發(fā)器是在其新的 U1 無線處理器芯片上實現(xiàn)的。答案需要一些偵探工作來尋找可以追溯到上世紀(jì)中葉的線索。

 

第一條線索是 1930 年代和第二次世界大戰(zhàn)期間在世界各地的絕密實驗室開發(fā)的另一種基于脈沖的寬帶無線電技術(shù)：雷達(dá)。RADAR 的故事已經(jīng)講過很多次了；它在不列顛海戰(zhàn)和太平洋海戰(zhàn)中都提供了關(guān)鍵優(yōu)勢。

 

為了更好地簡述本次的技術(shù)，我們來重溫一下雷達(dá)的原理。RADAR 能夠確定物體的范圍、角度和速度。戰(zhàn)后，基于脈沖的收發(fā)器再次開始獲得發(fā)展動力。從 1960 年代到 1990 年代，這項技術(shù)被限制在機(jī)密程序下的軍事應(yīng)用，既是定位又是通信技術(shù)。到 1980 年代中期，美國天主教大學(xué)的 Harmuth 和 Sperry Rand Corp 的 Ross 和 Robbins 等 UWB 先驅(qū)的大量研究論文、書籍和專利變得可用。由于寬帶提供位置數(shù)據(jù)的獨特能力，這一重要的信息來源重新引起了人們對 UWB 系統(tǒng)的興趣。

 

蘋果對 UWB 的第一個用途是提供定位數(shù)據(jù)。定位支持增強(qiáng)現(xiàn)實 (AR)、虛擬現(xiàn)實 (VR)、游戲、設(shè)備恢復(fù)、文件共享和廣告信標(biāo)等領(lǐng)域的許多應(yīng)用。

 

被Wi-Fi擊敗

 

在上文中，我們講述了寬帶無線電的誕生。事實上，寬帶無線電的故事還沒有結(jié)束……

 

 

隨著 1990 年代無線通信需求的增長，超寬帶 (UWB) 的優(yōu)勢變得更加明顯。但是 UWB 系統(tǒng)的商業(yè)部署需要在頻率分配、諧波和功率限制等方面達(dá)成全球協(xié)議。隨著對 UWB 商業(yè)化興趣的增加，UWB 系統(tǒng)的開發(fā)商開始向 FCC 施壓，要求批準(zhǔn)其用于商業(yè)用途。2002 年，聯(lián)邦通信委員會 (FCC) 終于允許未經(jīng)許可使用的 UWB 系統(tǒng)。幾年后，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會 (ETSI) 制定了自己的法規(guī)，遺憾的是與 FCC 法規(guī)略有不同。其他地區(qū)緊隨其后，通常與 FCC 或 ETSI 保持一致。

 

UWB 系統(tǒng)使用短時（即皮秒到納秒）電磁脈沖來傳輸和接收信息。它們還具有非常低的占空比，其定義為脈沖出現(xiàn)的時間與總傳輸時間的比率。根據(jù) 2000 年代制定的發(fā)射法規(guī)，UWB 信號被定義為頻譜大于 500 MHz 的信號。大多數(shù)國家現(xiàn)在都同意 UWB 的最大輸出功率，定義為 -41.3 dBm/MHz。

 

隨著法規(guī)的到位，公司聯(lián)盟開始形成，以標(biāo)準(zhǔn)化物理層和媒體訪問控制 (MAC) 層。2002 年，WiMedia 聯(lián)盟成立，這是一個非營利性行業(yè)貿(mào)易組織，旨在促進(jìn) UWB 技術(shù)的采用、監(jiān)管、標(biāo)準(zhǔn)化和多供應(yīng)商互操作性。2004 年，無線 USB 推廣組和 UWB 論壇緊隨其后。

 

為了理解這些聯(lián)盟所做的選擇，我們應(yīng)該將它們置于語境中。

 

在2002 年，WiFi 還是一項相對較新的技術(shù)。802.11b 路由器于 1999 年推出，使用 2.4 GHz 頻段時的理論最大速度為 11 Mbit/s。802.11a 標(biāo)準(zhǔn)也是在 1999 年定義的，并承諾在 5 GHz 頻帶中的理論最大速度為 54 Mbit/s，但由于其較高的芯片組成本，在消費領(lǐng)域沒有受到關(guān)注。2003 年，802.11g 標(biāo)準(zhǔn)推出，在 2.4 GHz 頻段提供了 54 Mbit/s 的理論最大速度。盡管事實證明 802.11g 標(biāo)準(zhǔn)取得了巨大的成功，但數(shù)據(jù)速率仍然受到擁擠的 2.4 GHz 頻段的限制，該頻段是當(dāng)時無線 LAN 的骨干，運(yùn)行在這個頻段的還有微波爐和無繩電話！

 

正是考慮到這些限制，市場提出了新一代 UWB 無線電。隨著法規(guī)的出臺，人們很難抗拒支持 UWB 的高數(shù)據(jù)速率的承諾。事實上，F(xiàn)CC 在 3.1 和 10.6 GHz 之間分配的 7.5 GHz 帶寬對于無線通信工程師來說是極其寶貴的資源。這就是基于 UWB 多頻帶正交頻分復(fù)用 (OFDM) 以 480 Mbit/s 的數(shù)據(jù)速率提出短距離（即幾米）文件傳輸規(guī)范的方式。經(jīng)過幾年的發(fā)展，第一個零售產(chǎn)品于 2007 年年中開始出貨。這在很大程度上是一種過度設(shè)計的無線電，以相對經(jīng)典的方式多路復(fù)用多個寬帶寬載波，本身并不是類似于火花隙無線電的基于脈沖的無線電。

 

盡管當(dāng)時 OFDM UWB 制造了很多噪音并且產(chǎn)品很有前途，但它在 2000 年代后期推向市場卻遭遇了一場挑戰(zhàn)——2008 年的大衰退，這導(dǎo)致消費電子產(chǎn)品的零售額大幅下降。此外，雖然不同的 UWB 聯(lián)盟都在開發(fā)新產(chǎn)品，但 WiFi 聯(lián)盟并沒有停滯不前。2006年，經(jīng)過多年的發(fā)展和談判，他們發(fā)布了802.11n標(biāo)準(zhǔn)的初稿。它支持多路輸入和多路輸出 (MIMO) 概念以復(fù)用信道，其開發(fā)目的是提供高達(dá) 600 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率。盡管該標(biāo)準(zhǔn)的最終版本在 2009 年 10 月之前并未發(fā)布，但支持該標(biāo)準(zhǔn)草案的路由器于 2007 年開始搶先發(fā)貨。

 

給OFDM UWB 棺材打上的最后一顆釘子來自技術(shù)本身。當(dāng)時提出的OFDM UWB收發(fā)器RF架構(gòu)的復(fù)雜性和嚴(yán)格的時序要求，導(dǎo)致產(chǎn)品成本相對較高，功耗低。

 

上述事件和技術(shù)過度設(shè)計的芯片組的結(jié)合標(biāo)志著高速 UWB 無線電的消亡。當(dāng)時 UWB 芯片組的領(lǐng)導(dǎo)者 WiQuest 在 2008 年初擁有 85% 的市場份額，于 2008 年 10 月 31 日停止運(yùn)營。UWB 論壇因與 WiMedia 聯(lián)盟的方法不一致而未能就標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致后解散。WiMedia 聯(lián)盟在將其所有規(guī)范和技術(shù)轉(zhuǎn)讓給無線 USB 推廣組和藍(lán)牙特別興趣組后于 2009 年停止運(yùn)營。然而，藍(lán)牙特別興趣小組在同年放棄了作為藍(lán)牙 3.0 一部分的 UWB 的開發(fā)。

 

不幸的是，在第一個基于火花隙無線電的 UWB 系統(tǒng)退役幾乎整整一個世紀(jì)之后，這種基于 OFDM 無線電架構(gòu)的 UWB 無線電的新迭代正在失寵。

 

然而，盡管困難重重，世界將不必再等一個世紀(jì)，就能看到新的和改進(jìn)的 UWB 無線電實現(xiàn)。事實上，火花隙無線電將成為這次 UWB 復(fù)興帶來更多的靈感。

 

UWB的復(fù)興

 

在上文中，我們討論了過度設(shè)計的正交頻分復(fù)用 (OFDM) 收發(fā)器的超寬帶 (UWB) 的失敗。這標(biāo)志著所提議的應(yīng)用——短距離非常高的數(shù)據(jù)速率（即幾百 Mbps）無線鏈路的終結(jié)——而不是技術(shù)。事實上，UWB 的歷史有點復(fù)雜：當(dāng)高速無線 UWB 提案開始衰落時，其他 UWB 應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展。

 

從二戰(zhàn)開始，微波系統(tǒng)的快速發(fā)展為UWB系統(tǒng)的發(fā)展鋪平了道路。在 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(fā)射器、接收器和天線。這些研究項目并非純粹的學(xué)術(shù)研究；開發(fā)脈沖系統(tǒng)確實有很大的動力：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(dá)主要用于軍事應(yīng)用。隨著研究的不斷進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了其他應(yīng)用，并且在 1990 年代末，多個 UWB 雷達(dá)被用于廣泛的應(yīng)用：林業(yè)應(yīng)用、城市地區(qū)的穿墻檢測、

 

為了真正理解超寬帶的吸引力，我們首先要掌握時頻二元性和傅立葉變換。簡單來說，這種對偶性表明，如果您有一個無限長的周期時間信號，它將具有無限小的帶寬。另一方面，如果您有一個無限短的脈沖信號，它將具有無限大的帶寬。換句話說，這意味著您可以用時間換取帶寬。你為什么要那樣做？這有多種原因，但一個非常重要的原因是實現(xiàn)超高分辨率定位。

 

確定射頻設(shè)備之間的距離有兩種基本方法：您可以使用接收信號強(qiáng)度 (RSS) 或信號的飛行時間 (ToF)。RSS 是一種實現(xiàn)起來非常簡單的技術(shù)，可以被任何無線收發(fā)器使用，這也解釋了為什么它被如此廣泛地使用。然而，它的準(zhǔn)確性受到嚴(yán)重限制：兩個靜止物體之間的感知距離將根據(jù)其直接路徑上的障礙物而變化。例如，如果您有兩個設(shè)備相距 10 米，但被磚墻隔開，提供 12 dB 的衰減，您會認(rèn)為這兩個設(shè)備相距 40 米。ToF 解決了這個問題。通過測量從一個設(shè)備到另一個設(shè)備所需的時間，您可以精確地提取兩個對象之間的距離。在

 

ToF 顯然是在空間中準(zhǔn)確定位物體的方法。然而，一個缺點是你需要處理光速，這是相當(dāng)快的。事實上，光傳播 10 厘米只需要 333 皮秒。如果要以厘米精度測量物體之間的距離，則系統(tǒng)需要亞納秒精度。實現(xiàn)這種精度的最簡單方法是發(fā)送時間非常短的信號，由于時頻二元性，這需要 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 UWB 在最近幾年的復(fù)興。準(zhǔn)確定位市場在多個領(lǐng)域都在快速增長，未來幾年應(yīng)該會繼續(xù)保持兩位數(shù)的增長。多家公司現(xiàn)在都加入了 UWB 的行列，最新的是 Apple，它為 iPhone 11 配備了 UWB 芯片 U1，這似乎是它自己的設(shè)計。憑借實施實時定位系統(tǒng) (RTLS) 的能力，UWB 能夠在包括工業(yè) 4.0、物聯(lián)網(wǎng)和車輛在內(nèi)各種市場中實現(xiàn)大量新應(yīng)用。

 

正如我們在本文中看到的，時間可以換取帶寬，這可以有利地用于定位。但它也可以提供其他優(yōu)勢。接下來，我們將探討 UWB 在許多無線應(yīng)用中的另一個關(guān)鍵優(yōu)勢：極低的延遲。

 

低延遲為王

 

作為工程師，我們將延遲理解為觸發(fā)操作與其響應(yīng)之間的時間間隔。從無線鏈路的角度來看，這是發(fā)送數(shù)據(jù)幀和接收數(shù)據(jù)之間的時間延遲。但是消費者對延遲有一種本能的反應(yīng)。玩格斗和體育游戲的游戲玩家會體驗到延遲，因為在按下按鈕和在屏幕上看到預(yù)期動作之間存在延遲。這種延遲可能是游戲中生死攸關(guān)的問題！顯示器和外圍設(shè)備正在以減少的延遲（例如，240 Hz 刷新率游戲監(jiān)視器）進(jìn)行積極營銷，因此，令人驚訝的是，有線外圍設(shè)備在游戲圈中仍然無處不在。

 

電線，就像人們記憶中那樣古老的裝置，在延遲方面的優(yōu)勢仍然無可爭議。

 

隨著對延遲更敏感的應(yīng)用程序成為主流，如今對延遲的追求越來越強(qiáng)烈。例如，佩戴增強(qiáng)現(xiàn)實 (AR) 或虛擬現(xiàn)實 (VR) 耳機(jī)的設(shè)計師和游戲玩家會體驗到延遲，因為他們的動作和視覺反應(yīng)之間存在令人不安的滯后。AR 和 VR 使用戶在最輕微的延遲開始時就容易暈車。此外，當(dāng)角色在屏幕上的嘴唇與他們的聲音不同步時，家庭影院所有者就會詛咒這些延遲，雖然可以小心地延遲錄制的視頻以校準(zhǔn)延遲，但需要現(xiàn)場干預(yù)的饋送無法從這種策略中受益。這種涉及實時交互的無線延遲問題很容易表現(xiàn)出來，就像在智能手機(jī)上打字并看到按鍵與通過無線耳機(jī)傳來的按鍵音頻反饋不同步一樣。一些手機(jī)制造商會通過讓鍵盤音頻反饋不通過無線耳機(jī)來隱藏這一限制。然而具有諷刺意味的是，在帶有準(zhǔn)系統(tǒng)有線耳機(jī)的過時電話上使用現(xiàn)已失效的音頻插孔不會造成延遲問題！這個問題更深入，工業(yè)工程師將延遲視為關(guān)鍵傳感器和控制系統(tǒng)中不可接受的延遲。

 

總而言之，當(dāng)前的無線技術(shù)無法提供可接受的游戲、AR/VR、實時視頻或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體驗，因此這些應(yīng)用在 2020 年仍然是有線應(yīng)用的市場。

 

大腦通常可以辨別出幾十毫秒或更長時間的延遲，一些樂器演奏者能夠“感覺到”3 毫秒的延遲。無線延遲有多種原因。它首先是光速的結(jié)果，與電線類似。然而，在人類尺度上，光速并不是限制因素，因為 100 米的無線通信只會產(chǎn)生 333 ns 的延遲。第二個原因是收發(fā)器中的處理時間。但這通常不是限制因素，因為處理器通常可以在幾微秒內(nèi)完成對幀的操作。第三個原因也是最重要的一個原因是收發(fā)器可以傳輸其數(shù)據(jù)的速度。在無線收發(fā)器中，每個數(shù)據(jù)幀都必須完全接收后才能進(jìn)行處理。這意味著傳輸和接收數(shù)據(jù)的速度是導(dǎo)致延遲的重要因素。例如，以 1 Mbps 的數(shù)據(jù)速率傳輸 1000 位幀將導(dǎo)致 1 ms 的延遲。這被稱為通話時間。除了通話時間外，還有媒體訪問控制層所需的時間，即MAC-Time，它與協(xié)議使用的通信棧有關(guān)，可能包括載波偵聽、幀確認(rèn)、幀重傳、流控制等。MAC 時間因應(yīng)用而異，與通話時間相比，MAC 時間可以從可以忽略不計變成主導(dǎo)因素。最終，MAC 時間通常與通話時間相關(guān)，因此可以壓縮通話時間的無線電能夠提供更短的延遲。

 

結(jié)合所有這些因素，很難公平地比較不同無線電的延遲。每種技術(shù)都有其目標(biāo)應(yīng)用，這意味著 MAC 層已相應(yīng)開發(fā)。需要 99.999% 可靠性的無線鏈路不會有與盡力而為廣播系統(tǒng)相同的延遲。然而，延遲總是有限的，并且源自無線電的通話時間，這是一個很好的比較點。ZigBee 規(guī)范背后的 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)提供 250 kbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率，而 BLE 4.2 支持 1 Mbps 和 BLE 5 2 Mbps。這些數(shù)據(jù)速率為 BLE 提供了幾毫秒的通話時間，為 IEEE 802.15.4 提供了數(shù)十毫秒的通話時間。這些通話時間被 MAC 層進(jìn)一步“放大”，并導(dǎo)致更長的整體延遲，可能超過 100 毫秒，

 

減少延遲的一個好方法是提高數(shù)據(jù)速率，Wi-Fi 很好地應(yīng)用了這種方法。隨著 802.11 標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在支持在單個鏈路上傳輸數(shù)百 Mbps 的數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)在可以看到單個幀的亞毫秒級延遲。然而，這種延遲是以功耗為代價的。Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)支持超過 2000 字節(jié)的大數(shù)據(jù)包，并使用需要耗電電路的復(fù)雜調(diào)制。

 

延遲實際上是 5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展背后的主要驅(qū)動因素之一。承諾幾毫秒的延遲，5G 將提供比 LTE 快10 倍的 改進(jìn)。然而，5G 無線電具有與 Wi-Fi 類似的缺點，即功耗非常高，阻礙了它們在大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的使用。因此，我們可以在幾毫秒內(nèi)將數(shù)據(jù)路由數(shù)百公里，但使用較低功率的無線電完成最后一百米需要更多時間。

 

UWB 彌合了長距離、高數(shù)據(jù)速率收發(fā)器（Wi-Fi 和 5G）與短距離低數(shù)據(jù)速率解決方案（如 BLE 和 Zigbee）之間的差距。UWB 使用快速的 2 ns 脈沖來達(dá)到數(shù)十 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。這提供了比 BLE 短一個數(shù)量級的通話時間，達(dá)到亞毫秒級延遲。當(dāng)與 5G 結(jié)合時，UWB 是提供最后 100 米低延遲連接的有力候選者。

 

UWB 的亞毫秒延遲和相對較大的數(shù)據(jù)速率可以實現(xiàn)多種新的交互體驗和應(yīng)用，而這些體驗和應(yīng)用以前是其他短距離無線電無法實現(xiàn)的。然而，UWB 的一個非常重要的方面，即物聯(lián)網(wǎng)革命所需的一個方面，尚未討論：低功耗操作。

 

低功耗是黃金

 

在一個一切都無線化并且所有設(shè)備都需要遠(yuǎn)程控制的世界中，功耗的重要性正在顯著增加。

 

在由四部分（傳感器、微控制器、PMU 和收發(fā)器）組成的簡單傳感器節(jié)點中，無線收發(fā)器在很大程度上是總功耗的主要貢獻(xiàn)者。事實上，用于無線功能的功率百分比可以超過總功耗的 90%。無線耳機(jī)、游戲控制器和電腦鍵盤和鼠標(biāo)的功耗由無線收發(fā)器帶來的。

 

在過去的 15 年中，降低功耗一直在推動無線芯片的發(fā)展。經(jīng)過多年的發(fā)展，BLE于2006年被批準(zhǔn)用于解決藍(lán)牙的功耗問題。最近，藍(lán)牙 5.2 增加了一些功能，以減少不同應(yīng)用程序的消耗，包括音頻。然而，這些修改大多是漸進(jìn)的。從根本上說，功耗的降低受到架構(gòu)的物理限制；基于載波的收發(fā)器總是需要大量功率來啟動、穩(wěn)定和維持其 RF 振蕩器。經(jīng)過二十年的優(yōu)化，藍(lán)牙已經(jīng)到了收益遞減的地步。所有窄帶技術(shù)都是如此：獲得一個數(shù)量級需要無線傳輸?shù)男路妒健Ｔ蛉缦拢?/div>