无线收发器使用 UWB 进行低功耗低延迟数据传输

迄今为止，多家芯片公司已将超宽带 (UWB) 技术作为一种用于精细测距应用的技术，加拿大蒙特利尔的一家初创公司开发了自己的无线电架构，以利用 UWB 实现超低延迟和超低为无电池物联网 (IoT) 传感器供电。

Spark Microsystems 宣布推出两款芯片，作为其 SR1000 系列低功耗 UWB 无线收发器 IC 的一部分，可为通信链路延迟目前阻碍完整实时沉浸式用户体验的产品提供新型短距离无线连接应用。与低功耗蓝牙 (BLE) 相比，蓝牙低功耗 (BLE) 通常具有几毫秒的通话时间，导致明显的数十毫秒的延迟，而 SR1000 UWB 收发器仅可在 50 µs 内发送 1 kb 数据，从而在广泛的范围内显着缩短无线延迟应用程序，例如音频流。

Spark 收发器的功耗（通常为 1nJ/bit）也明显低于 BLE，在以 1 Mbps 运行时通常低 40 倍。 SR1000 系列的 10 Mbps 功能的数据传输速率高达 BLE 的 10 倍，适合内容丰富的应用，例如视频流，在这些应用中，高带宽低延迟链接是必不可少的。

这将满足游戏外设和音频以及 AR/VR 耳机等产品的要求，否则这些产品将需要接线才能满足功率和延迟目标。它还满足智能家居设备和无电池物联网 (IoT) 传感器的功率、延迟和数据流要求。

与在拥挤的授权无线频谱内运行的其他无线协议不同，SR1000 UWB 系列在未授权的 3.1 GHz 至 10.6 GHz 频率范围内运行，使用通常为 -41.3 dBm/MHz 的宽频谱低功率密度。 UWB 宽频谱方法以可能被其他接收器感知为噪声的电平进行传输，极大地有助于无线共存，进一步增强了链路性能特性。

使用短时间脉冲而不是载波频率的无线电
Spark Microsystems 联合创始人兼首席技术官 Frederic Nabki 向embedded.com 解释了他们如何实现功率和延迟目标。他说，蓝牙、Wi-Fi、Zigbee、Z-Wave 甚至 5G 等技术都使用调制载波频率来传输数据。这些载波需要大量时间来启动和稳定，并且需要复杂的硬件来确保它们同相并具有良好的相位特性；因此，它们需要大量电力来维持。

Spark 将其带入了不同的方向。它的无线电不是载波，而是使用产生 2ns 脉冲的时间脉冲，而且由于载波本身不是等式的直接一部分，因此您最终不必为该载波提供服务。他说这意味着你没有很长的启动时间或复杂的电路来管理该载体。这会产生更快的启动时间和更快的数据传输，因为脉冲只有 2ns 宽，这意味着您可以非常快速地重复它们，并且它们也可以快速同步。需要生成短时脉冲的副产品是 Spark 无线电需要非常宽的带宽并使用脉冲进行通信。

Nabki 说，挑战在于如何让发射器和接收器在几微秒的时间内自行打开和关闭，以利用脉冲实现的快速动作。他评论说：“因为你可以快速行动，你可以积极地循环工作，但是你如何保持这两个无线电同步，例如，如果你有一个发射器和接收器，你每 50 微秒打开和关闭一次？我们必须想出一种技术来解决这个问题。最后，我们如何保持系统定时，而不仅仅是同步？”

所有无线电都需要石英晶体来为它们提供足够精确的时基，以便它们保持同步并为其载波频率提供服务。 “在我们的案例中，我们非常努力地利用 UWB 技术，使我们能够从 32 kHz 石英晶体的超低功耗定时器运行——本质上是你手表中的东西，成本非常低，功耗非常低。这是我们做出的选择，不仅是为了降低收发器的功率，我们还希望降低系统级的功率。”

Nabki 还解释了 Spark 收发器如何与其他无线电共存。 “我们都知道 Wi-Fi、蓝牙、Zigbee 都在搭载 2.4GHz，而且那个频段真的很拥挤。 5GHz频段也很拥挤。 Spark UWB 的频率在 3.1 GHz 到 10.6GHz 之间。它可以免费使用，因此具有与蓝牙、Zigbee 和 Wi-Fi 相同的优势，无需许可频谱。但它的 EMI（电磁干扰）和辐射要低得多，因为如果您查看 Spark 无线电传输的功率，它比 Wi-Fi 无线电少约 1,000 倍，比蓝牙无线电少约 100 倍。这意味着它可以让您与其他收音机更好地共存，这意味着对于这些其他收音机，您被视为噪音水平，他们并没有真正看到您，您的灵敏度低于他们。”

重要的是，迄今为止，UWB 无线电的致命弱点一直是对频段干扰的敏感性。因此，Nabki 表示 Spark 开发了独特的抑制和缓解机制，使其不受来自 Wi-Fi 和蜂窝频段的窄带干扰的影响。 “我们相信，随着 Wi-Fi 开始通过 Wi-Fi 6 越来越多地侵入 UWB 频谱，我们相信这将成为我们系统的一个关键特性，因此我们已经做好了准备。”

Spark 开发了两种仅用于收发器的产品。 Nabki 解释说，在其上安装 CPU 内核需要额外的工程工作，他们的目标主要是快速进入市场。 “该电路可以用电池驱动，不需要 DC-DC 转换器，一切都在芯片上。除了 32kHz 晶体外，您不需要任何外部设备。您确实需要一个片外微控制器并运行该协议。在我们的路线图中，我们最终会将 MCU 带入第二代产品的芯片中。”

UWB 不仅仅是定位，它是关于低延迟、低功耗的数据传输
Nabki 解释说，大约十年前，当他和他的联合创始人开始使用 UWB 时，他们的目标不是定位。 “我们认为这是一个很酷的功能，但 UWB 远不止于此。它可以实现超低功耗、超低延迟的通信。它可以以几微瓦的功率进行通信，延迟低，并与 WiFi 共存。对我们来说，测距就在那里，我们可以做到，而且功率比其他人低得多，但这不一定是最高的承诺。最高的承诺是具有超低延迟和超低功耗通信的数据传输。”

他说，虽然 Spark 的无线电是专有的，还不是标准，但他们希望它能成为标准。 “今天人们制定 UWB 标准的方式是他们专注于测距，然后问自己：我如何基于当前的无线架构制作 UWB 无线电。结果，他们最终得到了非常大的 RF 机器，需要大量功率，而不是低成本，而且我们已经听说大多数汽车制造商正因此为高端汽车保留 UWB 技术。 Spark 所做的非常不同。我们从一张白纸开始。”

他说测距是Spark收发器可以做的功能之一，但是测距与通信相结合还有更广泛的潜在应用；此外，它们可以实现低数据速率和高数据速率低延迟通信。他补充说：“我们可以做无电池系统。没有人可以拥有一个系统，可以在几微瓦的功率下以健康的数据速率连续传输数据。我们可以将更多传统系统做得更好，例如降低音频流设备的功耗。”

Spark 与其他基于 UWB 的设备的唯一共同点是使用相同的频谱。 “其余部分真正从核心重新设计，为个域网、体域网和物联网空间提供下一代无线连接。”

Spark Microsystems 的首席执行官 Fares Mubarak 进一步解释了这一点。 “在功耗方面，我们比低功耗蓝牙低约 40 倍。即使蓝牙 5.1 和 5.2 取得了长足的进步，与蓝牙 5.2 相比，我们仍然要好 20 倍。我们将延迟降低了 60 倍。我们的延迟本来就较低。我们可以为 1kb 的数据传输做 50µs 的通话时间。但除此之外，我们还可以实现一个数量级更高的数据传输速率。我们的 EMI（电磁干扰）降低了两个数量级，而且由于我们是超宽带无线电，我们可以实现飞行时间定位，从而以极低的功率在无线电范围内为您提供 30 厘米的精度。”

谈到目前的UWB设备市场，穆巴拉克评论道：“UWB如今以Decawave、NXP以及最新的iPhone U1芯片而闻名，都以超低功耗定位着称。他们声称精度为 10 厘米，但功率非常高，这可能是因为他们使用的 802.15.4z 标准的架构导致了功率。”

相比之下，他说 Spark 收发器可实现 30 厘米的精度，同时功耗降低近两个数量级。 “而且我们的下一代产品也可以在低功率下达到 10 厘米。我们以显着的功率优势将自己与当前的 UWB 区分开来。我们可以是一个唤醒收音机。今天的大多数无线设备都是高功率的，因此需要一个非常低功率的唤醒无线电；在 UWB 中尤其如此，以唤醒 MCU 和无线电。”

面向游戏、音频和智能家居
穆巴拉克表示，该公司目前的目标是在消费领域快速验证其技术，尤其是在游戏、音频和游戏中心。他给出了一些关于游戏的观点。 “如果您今天使用这些耳塞查看压缩音频，您会得到近 200 毫秒的延迟。我们已经展示了具有低于 5 毫秒延迟的高保真质量音频。完全未压缩。在鼠标和键盘的外围设备中，响应速度是游戏的关键，我们已经证明了亚毫秒级的延迟——我们可以将延迟降低到四分之一毫秒 (250 µs)。”

对于智能家居，智能助手是语音和控制方面的关键目标。穆巴拉克声称，他们与该领域的市场领导者进行了多次评估。在安全传感器方面，尤其是在家庭安全方面，他说 60% 的维护工作是更换传感器中没电的电池。因此，Spark 的目标是为运动检测、门窗传感器所需的低数据速率传感器启用可靠的无电池传感器节点，这些传感器可由室内照明供电。

在汽车领域，穆巴拉克表示，该公司已经完成了 NRE 项目来验证概念，以满足轮胎压力监测系统和远程遥控钥匙的超低功耗需求，电池寿命超过 10 年。

SPARK Microsystems SR1000 系列包括两个引脚相同的产品变体，以适应不同的区域频谱分配：SR1010 用于 3.1 GHz 至 6 GHz，以及 SR1020 用于 6 GHz 至 9.5 GHz。除了提供低辐射、低功耗、低延迟的对称数据链路外，SR1000 系列还可用于各种测距和定位应用。为 SR1000 系列提供了一系列评估工具、开发板和特定于应用的参考设计，有助于初始设计的快速原型制作。