UWB（Ultra Wide Band，中文：超寬帶），是一種利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據的無線通信技術。美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commission，FCC）對UWB技術的規定為：在3.1~10.6GHz頻段中占用500MHz以上的帶寬。
UWB技術的基本思想可以追溯到20世紀40年代。隨著人們對電磁波研究的深入，1942年就已經出現有關隨機脈沖系統的專利，這也是UWB技術發展的基礎。到20世紀60年代，美國軍方已經將UWB技術用于雷達、定位和通信系統中。1989年，美國國防部首次使用了術語“超寬帶”。2002年，UWB技術首次獲得了美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commission，FCC）的批準而用于民用通信。2003年，UWB美國和歐洲標準發布，這是UWB發展的第一個里程碑。2005年3月，FCC批準MBOA-UWB、DS-UWB的高速產品測試。同年下半年，英國和日本政府監管部門批準UWB方案，支持UWB發展。
2006年，國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）在確定了各國頻譜分配原則后，第一次核準UWB全球性監管標準建議。2007年3月，ISO正式通過了WiMedia聯盟提交的MB-OFDM標準。WiMedia聯盟最終在標準上勝出，正式成為UWB技術的第一個國際標準。2015年，大型科技公司開始采用UWB技術。2016年，汽車生產領域認識到UWB的價值。基于UWB高精度定位的特點，逐漸應用于汽車防撞系統。2019年至2020年，UWB 技術終于正式進入了主流消費電子產品，2020年下半年，IEEE更新了UWB的相關標準（802.15.4z），從而為UWB進一步進入主流應用鋪平了道路。
UWB無線系統的關鍵技術主要包括：產生脈沖信號串(信號源)的方法、脈沖串的調制方法、適用于UWB的有效天線設計方法及接收機的設計方法等。該技術解決了困擾傳統無線通信技術多年的有關傳播方面的重大難題，具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、截獲率低、系統復雜度低、能提供厘米級的定位精度等優點。
概念解釋
UWB是一種利用納米至微米級的非正弦波窄脈沖傳輸數據的無線通信技術，對具有很陡上升和下降時間的沖擊脈沖進行直接調制。UWB不采用正弦載波，它采用時間間隔極短（小于1ns)的脈沖進行通信，又稱為脈沖無線電（Impulse Radio）、時域（時間 Domain）或無載波（Carrier Free）通信。具體定義為相對帶寬（信號帶寬與中心頻率的比）大于25%的信號或帶寬超過1.5GHz的信號。實際上UWB信號是一種持續時間極短帶寬很寬的短時脈沖。其主要形式是超短基帶脈沖，寬度一般在0.1~20ns(1ns=10??s)，脈沖間隔為2~5000ns，精度可控，頻譜為10~50GHz。頻帶大于100%中心頻率，典型占空比為0.1%。傳統的UWB系統使用一種稱為“單周期(Monocycle)脈形”的脈沖。一般情況下，它通過隧道二極管或者水銀開關產生，在計算機仿真中用gaussian脈沖來近似代替。
歷史沿革
UWB技術始于20世紀60年代興起的脈沖通信技術。隨著人們對電磁波研究的深入，1942年就已經出現有關隨機脈沖系統的專利，這也是UWB技術發展的基礎。到20世紀60年代，美國軍方已經將UWB技術用于雷達、定位和低截獲率/低偵測率的通信系統中。最初的UWB技術不使用載波，而是利用納米級（10??m）到皮米級（10?12m）的非正弦波窄脈沖來傳輸數據。當時，UWB主要利用占頻帶極寬的超短基帶脈沖進行通信，因此又被稱為“基帶”“無載波”或“脈沖”系統。1972年，一種高靈敏的短脈沖接收設備研制成功，加速了UWB 技術的研究和發展。到20世紀80年代后期，該技術開始被稱為“無載波”無線電或脈沖無線電。1989年，美國國防部首次使用了術語“超寬帶”。
2002年，UWB技術首次獲得了美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commission，FCC）的批準而用于民用通信，2002年2月，美國聯邦通信委員會發布了民用UWB設備使用頻譜和功率的初步規定，發布全球第一個民用UWB設備使用頻譜規范，使UWB技術的研發驟然加速。2003年，UWB美國和歐洲標準發布，這是UWB發展的第一個里程碑。2005年3月，WiMedia和Ecma提交WiMedia UWB平臺規范，FCC批準MBOA-UWB、DS-UWB的高速產品測試。同年下半年，英國和日本政府監管部門批準UWB方案，支持UWB發展。2006年，國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）在確定了各國頻譜分配原則后，第一次核準UWB全球性監管標準建議。2007年3月，ISO正式通過了WiMedia聯盟提交的MB-OFDM標準。WiMedia聯盟最終在標準上勝出，正式成為UWB技術的第一個國際標準。同年8月，IEEE802.15.4a發布，增強了支持UWB的PHY（PhysicalLayer，物理層）。UWBPHY分配的頻率分為三個范圍：1GHz以下、3~5GHz以及6~10GHz。
2010年，工業UWB市場蓬勃發展。2015年，大型科技公司開始采用UWB技術。2016年，汽車生產領域認識到UWB的價值。基于UWB高精度定位的特點，逐漸應用于汽車防撞系統。2018年，IEEE802.15.4z開始制定。新的標準中，定義了LRP(Low Rate Pulse repetition)、HRP(HighRatePulserepetition)兩種UWB 模式，其中LRP是新追加的，而HRP則是繼承了IEEE802.15.4a中的模式，但是也追加了更多的新特性。2019年至2020年，UWB 技術終于正式進入了主流消費電子產品（iPhone 11和三星Note 20 Ultra），2020年下半年，IEEE更新了UWB的相關標準（802.15.4z），從而為UWB進一步進入主流應用鋪平了道路。更新標準中，對于UWB定位的安全性做了改進，從而可以從理論上進一步防止基于UWB的定位被黑客入侵和篡改。
工作原理
UWB技術最基本的工作原理是發送和接收脈沖間隔嚴格受控的高斯單周期超短時脈沖，超短時單周期脈沖決定了信號的帶寬很寬，接收機直接用一級前端交叉相關器就把脈沖序列轉換成基帶信號，省去了傳統通信設備中的中頻級，極大地降低了設備復雜性。基于CDMA，UWB開發了一個具有最高空間容量的新無線信道和無線脈沖收發信機。在發送端，時鐘發生器產生一定重復周期的脈沖序列，用戶要傳輸的信息和表示其地址的偽隨機碼，分別或合成后對上述周期脈沖序列進行一定方式的調制，調制后的脈沖序列驅動脈沖產生電路，產生一定形狀和規律的脈沖序列，然后放大到所需功率，再耦合到UWB天線發射出去。在接收端，UWB天線接收的信號經低噪聲放大器放大后，送到相關器的一個輸入端，相關器的另一個輸入端加入一個本地產生的與發射端同步且經用戶偽隨機碼調制的脈沖序列。相關器對兩輸入脈沖序列進行乘法、積分和抽樣保持等運算，產生一個與用戶地址信息分離的信號，其中僅含用戶傳輸信息以及其他干擾，然后再對該信號進行解調運算。
關鍵技術
按美國聯邦通信委員會（FederalCommunicationsCommission，FCC）的定義，UWB帶寬是比中心頻率高25%或者是大于1.5GHz的帶寬。例如，一個中心頻率在4GHz的信號只有跨越從3.5GHz（或更低）至4.5GHz（或更高）的范圍才能稱得上是一個UWB信號。UWB無線系統的關鍵技術主要包括：產生脈沖信號串(信號源)的方法脈沖串的調制方法、適用于UWB的有效天線設計方法及接收機的設計方法等。
UWB脈沖信號的產生
產生寬度為納秒級的脈沖信號源是UWB技術的前提條件。單個無載波窄脈沖信號有兩個突出的特點，一是激勵信號的波形為具有陡峭前沿的單個短脈沖:二是激勵信號從直流到微波波段，包括很寬的頻譜。產生脈沖源的方法有兩類：一是利用光導開關導通瞬間的陡峭上升沿獲得脈沖信號的光電法；二是對半導體PN結反向加電，使其達到雪崩狀態，并在導通的瞬間取陡峭的上升沿作為脈沖信號的電子法。光電法是最有發展前景的一種方法，而電子法是目前應用最廣泛的一種，但由于采用電脈沖信號觸發，其前沿較寬，觸發精度受到限制，特別是在要求精確控制脈沖發生時間的場合，達不到控制的精度。
沖激脈沖通常采用高斯單周期脈沖，寬度在納秒級，具有很寬的頻譜，一個信息比特可映射為數百個這樣的脈沖。實際通信中使用的是一長串的脈沖，由于時域中的信號有重復周期性，將會造成頻譜離散化，對傳統無線電設備和信號產生干擾，需要通過適當的信號調整來降低這種干擾的影響。
信息的調制
脈沖的幅值、位置和極性變化都可以用于傳遞信息。因此，適用于UWB的主要單脈沖調制技術包括：脈沖幅值調制（PuseAmplitude Modulaton.PAM）、脈沖位置調制（PulsePosition Modulation，PPM）()、通斷鍵控（On-Of-Keying，OOK）、二相調制（Binary PhaseModulation，BPM）和跳時/直擴二進制相移鍵控調制（時間 Hopping/Direct Spread-BinaryPhase Shif Keying，TH/DS-BPSK）等。其中PPM和PAM是超寬帶無線電的兩種主要調制方式。
PPM又稱時間調制(TimeModulaton，TM)，是用每個脈沖出現的位置超前或落后于某一標準或特定的時刻來表示某個特定信息的，因此對調制信號需要在接收端用匹配濾波技術來正確接收，即對調制信息用交叉相關器在達到零相差的時候進行檢測，否則，達不到正確接收的目的。PAM是用信息符號控制脈沖幅值的一種調制方式，它既可以改變脈沖的極性，也可以僅改變脈沖的幅值，而通常所講的PAM只改變脈沖幅值的大小。BPM和OOK是聚丙烯酰胺的兩種簡化形式。BPM通過改變脈沖的正負極性來調制二元信息，所有脈沖幅值的絕對值相同:而00K通過脈沖的有無來傳遞信息。在PAM、BPM和OOK調制中，發射脈沖的時間間隔是固定不變的。
多址方式
在移動通信中，許多用戶同時通話，以不同的移動信道相分隔，防止相互干擾的技術方式稱為多址方式。在UWB系統中，多址接人方式與調制方式有密切聯系。當系統采用PPM調制方式時，多址接人方式多采用跳時多址:若系統采用BPSK方式時，多址接入方式通常有兩種，即直序方式和跳時方式。基于上述兩種基本的多址方式，許多其他多址方式也陸續提出，主要有以下幾種。
偽混沌跳時多址方式（PCTH）
PCTH根據調制的數據產生非周期的混沌編碼，用它替代TH-PPM中的偽隨機序列和調制的數據，控制短脈沖的發送時刻，使信號的頻譜發生變化。PCTH調制不僅能減少對現有無線通信系統的影響而且不易被檢測到。
DS-BPSK/TH混合多址方式
此方式在跳時（TH）的基礎上，通過直接序列擴頻碼進一步減少多址干擾，其多址性能優于TH-PPM，與DS-BPSK相當。在實現同步和抗遠近效應方面具有一定的優勢。
DS-BPSK/FixedTH混合多址方式
此方式的特點是打破了TH-PPM多址方式中采用隨機跳時碼的常規思路，利用具有特殊結構的固定跳時碼，減少不同用戶脈沖信號的碰撞概率。即使有碰撞發生，利用直接序列擴頻的偽隨機碼特性，也可以進一步削弱多址干擾。
此外，由于UWB脈沖信號具有極低的占空比，其頻譜能夠達到GHz數量級，因而UWB在時域中具有其他調制方式所不具有的特性。當多個用戶的UWB信號被設計成不同的正交波形時，根據多個UWB用戶時域發送波形的正交性以區分用戶，實現多址，稱為波分多址技術。
天線
UWB系統采用極短的脈沖信號來傳送信息，信息被調制在這些脈沖的幅值、位置、極性或相位等參數上，對應所占用的帶寬甚至高達幾GHz。因此，能夠有效輻射時域短脈沖的天線是UWB研究的一個重要方面。UWB天線應該是輸人阻抗具有UWB特性和相位中心具有超寬頻帶不變特性，這就要求天線的輸入阻抗和相位中心在脈沖能量分布的主要頻帶上保持一致，以保證信號的有效發射和接收。
時域短脈沖輻射技術早期采用雙錐天線、V-錐天線、扇形偶極子天線，這幾種天線存在饋電難、輻射效率低、收發耦合強、無法測量時域目標等特性，只能用作單收發。現在出現了利用光刻技術制成的毫米、亞毫米波段的集成天線，還有利用微波集成電路制成的UWB平面槽天線，其特點是能產生對稱波束、可平衡UWB饋電、具有UWB特性。
收發信機
在得到相同性能的前提下，UWB收發信機的結構比傳統的無線收發信機要簡單。傳統的無線收發信機大多采用超外差式結構，UWB收發信機采用零差結構，實現起來也比較簡單，無須本振、功放、壓控振蕩器、鎖相環、混頻器等環節。在接收端，天線收集的信號經放大后通過匹配濾波或相關接收機處理，再經高增益門限電路恢復原來信息。距離增加時，可以在發信端用幾個脈沖發送同一信息比特的方式增加接收機的信噪比，同時可以通過軟件控制，動態地調整數據速率、功耗與距離的關系，使UWB具有極大的靈活性，這種靈活性正是未來移動計算所必需的。現代數字無線技術常采用DSP芯片（DigitalSignalProcessor，DSP）芯片的軟件無線電來產生不同的調制方式，這些系統可逐步降低信息速率以在更大的范圍內連接用戶即使最簡單的收發信機也可采用這一數字技術。
技術特點
UWB技術解決了困擾傳統無線通信技術多年的有關傳播方面的重大難題，具有對信道衰落不敏感、發射信號功率譜密度低、截獲率低、系統復雜度低、能提供數厘米的定位精度等優點。
系統結構的實現比較簡單
當前的無線通信技術所使用的通信載波是連續的電波，載波的頻率和功率在一定范圍內變化，利用載波的狀態變化來傳輸信息。而UWB技術則不使用載波，它通過發送納秒級非正弦波窄脈沖來傳輸數據信號。UWB系統中的發射器直接用脈沖小型激勵天線，不需要傳統收發器所需要的上變頻，從而不需要功率放大器與混頻器。UWB系統允許采用價格低廉的寬帶發射器。同時在接收端，UWB系統的接收機也有別于傳統的接收機，不需要中頻處理。因此，UWB系統結構的實現比較簡單。
高速的數據傳輸
UWB的數據速率可以達到幾百MbiVs到幾GbiVs，有望高于藍牙100倍。民用商品中，一般要求UWB信號的傳輸范圍為10m以內，根據經過修改的信道容量公式，民用商品數據傳輸速率可達500Mbit/s。UWB技術是實現WPAN和WLAN的一種理想調制技術。UWB技術以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數據傳輸，并且不單獨占用已經擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術使用的頻帶。在軍事應用中，UWB技術可以利用巨大的擴頻增益來實現遠距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數據傳輸。
低功耗
UWB系統使用間歇的脈沖來發送數據。脈沖持續時間很短，一般為0.20~1.5ns，有很低的占空比。系統耗電很低，在高速通信時系統的耗電量僅為幾百微瓦至幾十毫瓦。民用UWB設備的功率一般是傳統移動電話所需功率的1/100左右，是藍牙設備所需功率的1/20左右。軍用的UWB電臺耗電也很低。因此，UWB設備在電池壽命和電磁輻射上，與傳統無線通信設備相比，有著很大的優勢。通常情況下，無線通信系統在通信時需要連續發射載波，因此要消耗一定電能。而UWB不使用載波，只是發出瞬間脈沖電波，并且在需要時才發送脈沖電波，所以消耗電能少。UWB系統發射功率非常小，用小于1mW的發射功率就能實現通信。低發射功率大大延長了系統電源工作時間。
安全性高
作為通信系統的物理層技術，UWB技術具有天然的安全性能。由于UWB信號一般把信號能量彌散在極寬的頻帶范圍內。對于一般通信系統來說，UWB信號相當于白噪聲信號。并且在大多數情況下，UWB信號的功率譜密度低于自然的電子噪聲的功率譜密度，從電子噪聲中將脈沖信號檢測出來是一件非常困難的事。采用編碼對脈沖參數進行偽隨機化后，脈沖的檢測將更加困難。
多徑分辨能力強
由于常規無線通信的射頻信號大多為連續信號或其持續時間遠大于多徑傳播時間，多徑傳播效應限制了通信質量和數據傳輸速率。由于超寬帶無線電發射的是持續時間極短且占空比極小的單周期脈沖，多徑信號在時間上是可分離的。假如多徑脈沖要在時間上發生交疊，其多徑傳輸路徑長度應小于脈沖寬度與傳播速度的乘積。由于脈沖多徑信號在時間上不重疊，很容易分離出多徑分量以充分利用發射信號的能量。大量的實驗表明，對常規無線電信號多徑衰落深達10~30dB的多徑環境，對超寬帶無線電信號的衰落最多不到5dB。
定位精確
沖激脈沖具有很高的定位精度。采用UWB技術，很容易將定位與通信合一，而常規無線電難以做到這一點。UWB技術具有極強的穿透能力，可在室內和地下進行精確定位，而GPS（全球定位系統）只能工作在GPS定位衛星的可視范圍之內。與GPS提供絕對地理位置不同，超寬帶無線電定位器可以給出相對位置，其定位精度可達厘米級。此外，超寬帶無線電定位器更便宜。
工程簡單、造價便宜
在工程實現上，UWB技術比其他無線技術要簡單得多，可全數字化實現。它只需要以一種數學方式產生脈沖，并對脈沖進行調制，而實現上述過程所需的電路都可以被集成到一個芯片上，設備的成本很低。由于UWB技術使用基帶傳輸，無須進行射頻調制和解調，所以不需要混頻器、過濾器、RF/TF轉換器及本地振蕩器等復雜元件，系統結構簡化，成本大大降低，同時更容易集成到CMOS電路中。
抗干擾性能強
UWB采用跳時擴頻信號，系統具有較大的抗干擾處理增益(一般在50dB以上)，在發射時將微弱的無線電脈沖信號分散在寬闊的頻帶中，使系統具有較強的抗干擾能力。
帶寬極寬
UWB使用的帶寬在1GHz以上，最高達幾GHz，并且可以和目前的窄帶通信系統同時工作而互不干擾。
保密性好
UWB保密性表現在兩方面：一方面是采用跳時擴頻，接收機只有已知發送端擴頻碼時才能解出發射數據；另一方面是系統的發射功率譜密度極低，用傳統的接收機無法接收。
應用場景
短距離點到點通信
短距離點到點通信面向各種移動設備之間的高速信息傳輸，例如，PDA、MP3、可視電話、5G 手機等設備之間的短距離點到點通信，包括多媒體文件傳輸、游戲互動等。
設備間無線連接
設備間無線連接主要實現桌面PC、筆記本計算機、移動設備與各種外設之間的無線連接。
數據傳輸
高速UWB的數據傳輸速率可以達到數百兆bits，可用于構建短距離高速WPAN、家庭無線多媒體網絡以及替代高速率短程有線連接，實現數字電視、家庭影院、DVD機、投影機、數碼相機、機頂盒等家用電子設備之間的可視文件和數據流的傳輸。其典型的通信距離是10m。
系統管理
結合UWB的高精度定位能力，用于企業倉儲管理和智能交通等各類物聯網系統中，為精準的存貨追蹤管理、汽車防撞系統、測速、收費系統提供解決方案。
高指向性應用
UWB和雷達信號的相似性啟發了使用UWB做高指向性應用。眾所周知，雷達通過天線陣列可以實現高指向性掃描，因此UWB配合類似的天線設計，也可以實現高指向性的信號傳輸，這一點在IPhone 11 和小米的“一指連”中都得到了充分應用。例如，小米的“一指連”使用了天線陣列，從而實現高指向性UWB信號收發，最終實現了手機可以把視頻投影到它所指向的電視上的效果。
在高速WPAN中的應用
高速WPAN的主要目標是解決個人空間內各種辦公設備及消費類電子產品之間的無線連接，以實現信息的高速交換、處理、存儲等，其應用場合包括辦公室、家庭等。目前，個人空間內的消費電子產品、個人計算機及其外圍設備之間互連都采用USB2.0或IEEE1394標準，但同時也被這些有線傳輸的線纜所束縛。而超寬帶技術具有個人空間設備無線化的潛力，以至實現整個移動通信工業產品之間的互聯。
在低速WPAN中的應用
低速WPAN與電信網絡相結合的應用主要在信息服務、移動支付、遠程監控以及某些點對點（P2P）技術應用等，這些應用歸納到無線傳感器網絡的范疇。無線傳感器網絡拓撲具有隨機變化的特點，節點信息往往需要通過中間節點進行多次轉發才能到達目標節點，而在無線傳感器網絡中采用超寬帶技術作為無線連接手段，可以提供高精度測距和定位業務（精度1m以內），以及實現更長的作用距離和超低耗電量，可用于車載防撞雷達、遠程傳感器網絡、家庭智能控制系統等很多領域。
無線個人區域網
UWB可以在限定的范圍（如4m)內，以很高的傳輸速率（如480Mbps）與很低的功耗（200μW）傳輸信息。藍牙的傳輸速率為1Mbps時，功耗需要1mW。因此，UWB能夠通過無線方式快速傳輸照片、文件、視頻等數據。
智能交通應用
除了高速和低功耗的特點之外，UWB還具有精確定位和搜索能力。汽車使用基于UWB的定位和搜索功能的防碰撞與防障礙物雷達，在車的前方、后方、旁邊有障礙物時，雷達將向司機發出預警。利用UWB可以建立智能交通管理系統，由若干個站臺設備和一些車載設備組成無線通信網，兩種設備之間通過UWB進行通信，實現不停車自動收費、汽車定位、速度測量、道路信息獲取、行駛建議提出等功能。
傳感器聯網
UWB是一個低成本、低功耗的無線通信技術。這點使得UWB適用于無線傳感網。在大多數的應用中，傳感器被用在特定的局部范圍內。傳感器之間通過UWB無線通信來組網。由于UWB通信是低功耗的，可避免傳感器節點頻繁更換電池，延長無線傳感網生存時間，降低系統維護的工作量與成本，因此UWB是無線傳感網通信技術的合適候選者。
成像應用
由于具有良好的穿透墻和樓層的能力，UWB信號可以應用于成像系統。利用UWB技術可以制造穿墻雷達和穿地雷達。基于UWB的穿墻雷達可用于戰場和警察的防暴行動，協助定位墻后和角落的敵人。基于UWB的穿地雷達可用于探測礦產，以及在地震或其他災難后搜尋幸存者。基于UWB信號的這種特點，也可以研究出具有與X射線同等功能的新型醫學成像系統。
軍事應用
在軍事方面，UWB已被用于實現超保密的通信系統，構建實戰傳感網來接入和定位每個戰士。另外，基于UWB的穿地雷達能夠進行地雷探測。顯然，UWB由于具有安全性高、無線信號穿透能力強、傳輸速率快、系統容量大、抗干擾能力強、定位精確、功耗低、造價低等優點，因此在AIoT及其接入中有廣闊的應用前景，被評價為下一代無線通信的關鍵技術之一，具有很高的研究價值。
參考資料 >
搞定物聯網定位:UWB高精度定位技術原理與實現.微信公眾平臺.2024-12-14