Bluetooth и сверхширокополосные (UWB) беспроводные технологии малого радиуса действия приобрели известность на рубеже веков, и пути их развития определялись неослабевающей потребностью в снижении энергопотребления и продлении срока службы батареи для бесконечного распространения беспроводных подключений. устройств.

Bluetooth Low Energy (BLE) был ратифицирован в 2006 году для устранения первых недостатков Bluetooth в энергопотреблении. Совсем недавно в Bluetooth 5.2 были добавлены функции для снижения потребления целевых приложений, таких как аудио. Однако эти модификации строго инкрементальные. По сути, снижение энергопотребления физически ограничено архитектурой Bluetooth - приемопередатчику несущей всегда будет требоваться значительная мощность для запуска, стабилизации и поддержания своего ВЧ-генератора.

На рисунке показаны два значительных снижения мощности, присущих всем архитектурам узкополосной радиосвязи, включая Bluetooth.

Это два значительных недостатка мощности, присущие всем узкополосным радиоархитектурам, включая Bluetooth.
Это два значительных недостатка мощности, присущие всем узкополосным радиоархитектурам, включая Bluetooth.

 

Во-первых, накладные расходы кварцевого генератора (внизу слева) снижают производительность при низкой скорости передачи данных. Bluetooth использует кварцевый генератор с частотой ~ 20 МГц, для питания которого требуется несколько милливатт. При эффективной оптимизации радиомодули СШП могут работать с импульсами, которые не требуют высокочастотного кварцевого генератора, и могут быть спроектированы для работы с низкими временными затратами на энергопотребление. Однако многое зависит от техники оптимизации СШП, поэтому это область, требующая пристального внимания.

Многие из сегодняшних реализаций технологии UWB фактически должны использовать кварцевые генераторы с более высокой частотой, чем то, что требуется для BLE. Между тем, усовершенствованные реализации СШП могут использовать кварцевые генераторы с частотой до 32 кГц.

Во-вторых, модулированные накладные расходы несущей (верхняя середина на диаграмме выше) ухудшают производительность с высокой скоростью передачи данных. Передача большого количества данных по узкополосному каналу, например используемому в радиомодулях Bluetooth, требует много времени и энергии.

Большие объемы данных могут передаваться с помощью UWB намного быстрее, потому что они распределяются по широкой полосе пропускания, оставляя передатчик включенным на гораздо более короткое время и значительно снижая энергопотребление. Это означает, что при том же количестве потребляемой мощности СШП может передавать гораздо больше данных (крайний верхний правый угол) .

Это связано с частотно-временной двойственностью, хорошо выраженной преобразованием Фурье. Проще говоря, эта двойственность утверждает, что если у вас есть бесконечно длинный периодический сигнал времени, он будет иметь бесконечно малую полосу пропускания. С другой стороны, если у вас бесконечно короткий импульсный сигнал, он будет иметь бесконечно большую полосу пропускания. Другими словами, вы можете обменять время на пропускную способность.

Сверхширокополосный обладает явным преимуществом перед узкополосным, учитывая его распределение и поддержку на большой части радиочастотного спектра. СШП-сигнал определяется как сигнал, имеющий спектр более 500 МГц. В США Федеральная комиссия по связи (FCC) в 2002 году разрешила безлицензионное использование СШП в диапазоне частот от 3,1 до 10,6 ГГц.

ОТ НАШИХ ПАРТНЕРОВ
WavePulser 40iX Высокоскоростной анализатор межсоединений
S-параметры. WavePulser 40iX High-speed Interconnect Analyzer вычисляет S-параметры как для несимметричного, так и для смешанного режима на основе одного сбора данных. Просто ча ...
Больше миль, меньше проводов в электромобилях будущего
Переход на беспроводную связь с системами управления батареями (BMS) следующего поколения удаляет тяжелые коммуникационные кабели внутри электромобилей, чтобы улучшить вождение…
СШП-системы используют короткоживущие (т. Е. В наносекундном масштабе времени) электромагнитные импульсы для высокоскоростной передачи и приема данных в большой полосе частот. У них также очень низкий рабочий цикл, который определяется как отношение времени, в течение которого присутствует импульс, к общему времени передачи.

Bluetooth против UWB для определения местоположения
После двух десятилетий развития Bluetooth сегодня практически повсеместно используется на рынке беспроводных устройств с батарейным питанием, охватывая смартфоны / планшеты, наушники / гарнитуры, игровую периферию, датчики Интернета вещей и многое другое. Для беспроводных приложений, которые могут работать с высокой задержкой и сильно сжатыми аудиосигналами, Bluetooth обеспечивает приемлемый пользовательский интерфейс для некоторых беспроводных приложений. Тем не менее, можно утверждать, что Bluetooth достиг точки убывающей отдачи.

Сегодня UWB становится убедительным преемником Bluetooth / BLE для следующего поколения маломощных беспроводных приложений малого радиуса действия. Производители бытовой электроники, такие как Apple, Samsung и другие, которые наверняка последуют за этим, используют спектр СШП для доставки электромагнитных импульсов для таких приложений, как позиционирование для отслеживания объектов / активов, как показано на примере Apple AirTags. Это узкое приложение технологического потенциала UWB, но, тем не менее, эффективное.

В этом качестве СШП измеряет время полета (ToF): импульс отправляется от одного устройства к другому, и мы измеряем время, которое потребовалось от передачи до приема. Соответственно определяется расстояние между объектами, которое можно измерить с пикосекундной точностью с помощью микросхем UWB. Используя бортовые антенны, измерения затем можно коррелировать для определения угла прихода сигнала, и, следовательно, «помеченные» объекты СШП могут быть обнаружены с точностью до 10 см.

Технология Bluetooth и близко не подходит к этой точности, поскольку она использует мощность принятого сигнала (RSS) для измерения пространственного расстояния. RSS - это очень простой в реализации метод, который может использоваться любым беспроводным трансивером, что объясняет, почему он так широко используется. Однако его точность сильно ограничена: воспринимаемое расстояние между двумя неподвижными объектами будет меняться в зависимости от препятствий на их прямом пути, а BLE обычно достигает точности позиционирования только с точностью до нескольких метров.


Технология позиционирования, поддерживаемая с помощью UWB, хотя и чрезвычайно точна, чрезвычайно сложна с точки зрения дизайна и, следовательно, чрезвычайно энергоемка. В результате чипы UWB, используемые сегодня для отслеживания объектов, на самом деле менее энергоэффективны, чем чипы / радиомодули Bluetooth, в 10 раз. Таким образом, хотя UWB хорошо подходит для позиционирования, это по своей природе энергоемкое приложение, и, в конце концов, с UWB нет преимущества в энергопотреблении на уровне устройства.

СШП для высокоскоростной передачи данных и мультимедиа
Вышеупомянутая двойственность времени и частоты выражает взаимозаменяемость времени и полосы пропускания. Если кто-то хочет сжать во времени беспроводную передачу, он требует большей полосы частот. Это свойство можно использовать для повышения точности позиционирования и определения дальности, но эти возможности представляют собой лишь небольшую часть потенциала СШП.

Еще одна очень интересная возможность, обеспечиваемая двойственностью времени и частоты, заключается в том, что она может уменьшить задержку в системах. Это имеет огромные последствия для неисчислимых приложений беспроводной связи малого радиуса действия в будущем.

Импульсы, доставляемые через сверхширокую полосу пропускания, обеспечивают чрезвычайно низкую задержку - эти сигналы могут быть отправлены за микросекунды с помощью UWB, тогда как Bluetooth может занять миллисекунды. Конечным результатом является сверхэффективная беспроводная передача данных. Более того, реализации UWB продемонстрировали как минимум в 10 раз меньшее энергопотребление, чем BLE, для приложений без определения местоположения.

Штрафы за задержку Bluetooth будут сохраняться только для таких приложений, как игры, аудио и Интернет вещей, что является основной причиной того, почему проводное подключение так упорно сохраняется для периферийных устройств и датчиков, используемых в этих приложениях. Мы приветствуем свободу мобильности, которую предоставляет нам беспроводная связь, но исторически это стоило нам немалых затрат с точки зрения задержки / задержек, ухудшения качества сигнала и разряда батареи.

Игры

ДляВ играх скорость - это все, когда дело доходит до победы над оппонентами, и поэтому задержка является серьезной проблемой для стойких геймеров. Когда геймеры нажимают кнопку мыши, они хотят мгновенного отклика, но Bluetooth может обеспечить скорость отклика только от 20 до 30 мс в лучшем случае.


Используя возможности подключения к UWB, SPARK продемонстрировал задержку менее 0,2 мс для беспроводной игровой периферии UWB, и компания уверенно движется к достижению менее 0,1 мс. Это намного превосходит возможности Bluetooth, и это даже быстрее, чем то, что сегодня могут предложить многие коммерчески доступные мыши с проводным USB-подключением.

Аудио

Для звука, поскольку Bluetooth ограничен очень узкой полосой пропускания, необходимо применять сжатие аудиоданных, чтобы протолкнуть громоздкий аудиосигнал через узкую трубу, что ухудшает сигнал. Кодеки Bluetooth по своей природе несут потери в том, что многие исходные аудиоданные удаляются. Звук CD-качества достигается при скорости передачи данных 1411 кб / с - кодек Bluetooth обрабатывает ее до 300 кб / с, чтобы можно было уместить аудиопоток в пределах ограниченных возможностей скорости передачи данных Bluetooth.

UWB обеспечивает в 10 раз большую пропускную способность, чем BLE; Таким образом, нет необходимости сжимать аудиосигнал для беспроводной доставки в гарнитуру UWB. Это гарантирует, что звуковая сцена, которую можно услышать с помощью гарнитуры UWB, будет значительно более детальной, чем то, что возможно с помощью Bluetooth сегодня, и точно соответствует источнику звука. Эти преимущества распространяются и на живую музыку - UWB освобождает выступающих музыкантов от громоздких кабелей без ущерба для задержки, позволяя проводить живые выступления без проводов.

Интернет вещей

Срок службы батарей беспроводных датчиков и устройств сегодня недостаточен для многих приложений IoT, что приводит к слишком частым циклам подзарядки, ограниченным возможностям подключения и громоздким батареям и / или дорогостоящему обслуживанию. Кроме того, большая задержка делает беспроводную связь неадекватной в приложениях, требующих обнаружения и связи в реальном времени.

С помощью UWB огромные объемы данных датчиков могут быть доставлены с 60-кратным сокращением задержки и в 40 раз большей энергоэффективностью, чем у устаревшего Bluetooth. Это очень выгодно не только для приложений IoT, но и для бесчисленных умных зданий, умных городов и приложений, управляемых искусственным интеллектом, на горизонте, которые потребуют сверхвысокой скорости связи между разрастающимися сетями беспроводных датчиков с батарейным питанием.

Технология Bluetooth прочно укоренилась сегодня и достаточно хорошо служила нам в течение последних двух десятилетий. Однако преимущества UWB в плане задержки и энергоэффективности делают его привлекательной альтернативой для любого беспроводного приложения, требующего более быстрой и свободной передачи большего объема данных с минимальным энергопотреблением. Везде, где Bluetooth присутствует сегодня - в бесчисленных коммерческих и промышленных приложениях, от наших наушников до периферийных устройств, - UWB потенциально может появиться завтра.