超寬帶（UWB，Ultra Wide Band）技術是一種新型的無線通信技術。它通過對具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖進行直接調制，信號具有GHz量級的帶寬。超寬帶技術解決瞭困擾傳統無線技術多年的有關傳播方面的重大難題，在早期被用來應用在近距離高速數據傳輸，近年來國外開始利用其亞納秒級超窄脈沖來做近距離精確室內定位。
做射頻設計的工程師都知道，射頻設計時最怕的就是寬帶，尤其是超寬帶。因為我們的射頻基本上都是和波長相關的，尤其是在阻抗匹配上，都是在比較窄的頻帶內玩的。一旦遇到寬帶，頭就大瞭，尤其是看到超寬帶。
什麼是超寬帶
超寬帶UWB是一種無線通信技術，和我們之前講到過的藍牙BLE，Wifi 一樣，是一種近距離通信技術。
為什麼叫超寬帶呢？這裡有兩個主要原因，第一是因為它的可用頻譜帶寬確實太寬瞭，FCC分配給它的頻帶從3.1GHz到10.6GHz，總共7.5GHz 的可用頻譜帶寬，相對帶寬超過100%。第二是它的載波帶寬也比較寬，達到瞭500MHz。 無論它的OBW還是CBW，都達到瞭超級寬的水平，所以叫做超寬帶UWB也確實是實至名歸。
也是基於此，在1989年的時候，這種無線通信技術被美國國防部命名為“UWB”。美國國防部管的可真寬，無線通信技術都需要國防部來題名，這也反映瞭我們通信發展的基本事實，軍事應用要先於民用，相控陣雷達的MIMO數要甩5G Massive-MIMO好幾條街。
超寬帶UWB的優點
超寬帶是很多通信人的夢想，因為頻率帶寬意味著信道容量，頻帶越寬，無線通信的容量就越大。這是信息論大神香農給我們留下的珍貴財富——香農定理。
在給定信噪比情況下，信道容量C和帶寬B成正比（下圖中最上面的公式就是香農定理）。
所以呢，UWB的第一個優點就是超級牛逼的信道容量。
同樣的，根據香農定理的公式，我們可以得到UWB的第二個好處，在一定的信道容量下，超寬帶UWB可以接受比較差的信噪比SNR。
另外，在相同載波功率情況下，帶寬越寬，功率譜密度也就越低。
基於第一個優點，FCC索性就給超寬帶UWB通信限定瞭一個很低的EIRP要求，小於-41.3dBM/MHz。
-41.3dBm是一個什麼樣的功率量級呢，我們換算成毫瓦的格式大概是0.0000741310241 mW，這麼小的功率對人體健康的影響簡直可以忽略不記，對比我們的手機動輒 0.1W-2W 的輻射功率來說，簡直不要太環保啊。
輻射功率低，也就意味著UWB的功耗極小，如果手機也到這個水平，那就再也不用擔心給手機充電瞭。可惜這種低功率通信，也就隻能用在近距離無線通信上，一般通信距離小於10米。
所以在通信領域，十全十美的技術可能真的沒有。
下表是UWB和Wifi， BLE，zigbee等短距離無線通信技術的一些參數對比，合適的技術需要用在合適的場景才完美。
這麼小的功率量級還有一個好處就是對其他通信系統的幹擾也很小，所以可以和很多大功率通信技術共存，比如現在的5G NR 在3.5GHz 左右有多個比較重要的頻段，還有wifi 的5.8GHz。
當然安全起見， FCC也規定瞭全頻譜的幹擾功率等級，如下圖所示，分為室內和室外，僅在低於960MHz 和 3.1GHz到10.6GHz的頻率范圍內要求低於-41.3dBm/MHz，其他頻段有更嚴格的功率要求。
這樣，困擾我很多年的問題終於解決瞭，憑什麼UWB能占用這麼寬的頻譜資源？就憑人傢功率低啊。
功率低就可以隨心所欲瞭嗎？No！UWB還有一個重要的技術，就是脈沖調制。
我們在介紹信號調制的時候（鏈接），講到我們都喜歡用正弦波作為載波對信號進行調制。
但是UWB信號是用一個具有很陡的上升和下降的沖激脈沖進行直接調制，使得信號具有比較寬的頻譜特征。
下圖給出瞭FM調制和脈沖調制的對比，正是這個脈沖調制使得UWB信號能夠工作在一個較寬的頻帶內。
其實在早期，UWB技術的名字就叫作脈沖無線電 Impulse Radio，1989年才擁有瞭現在的名字。
UWB的脈沖陡而窄，看起來像尖峰一樣，即使是在嘈雜的通道環境中，也很容易識別。
脈沖調制具有很強的抗多徑幹擾能力，通過多個路徑到達接收器的無線電信號在IR-UWB系統裡很容易與主信號區分開來。
並且脈沖的寬度很窄，為納秒級，這就決定瞭超寬帶技術超高的精度。
因此超寬帶UWB技術具有傳輸速率高，抗幹擾能力強，輻射小功耗低，精度高等優點。
超寬帶UWB的應用
超寬帶技術自上世紀60年代被提出以後，在軍事領域就得到瞭廣泛的應用，比如：UWB 雷達，UWB L PI/ D 無線內通系統(預警機、艦船等)，戰術手持和網絡的PL I/ D 電臺，警戒雷達，UAV/UGV 數據鏈，探測地雷，檢測地下埋藏的軍事目標或以葉簇偽裝的物體無線通信系統方面 在民用領域，真正進入到我們的視野是蘋果公司在iphone11上推出的空間感知能力Spatial Awareness。
利用UWB技術的超高精度定位能力，提高瞭手機的定位精度，並且能夠感知周圍手機的準確位置。
緊接著，小米也推出瞭具備UWB技術的手機——“一指連”，基於這項“一指連”技術，手機和智能設備將具備空間感知能力，猶如“室內GPS”。
當手機指向智能設備，控制卡片就能自動彈出，能夠直接進行操控。
結語
UWB無線通信是一種不用載波，而采用時間間隔極短（小於1ns）的脈沖進行通信的方式，也稱做脈沖無線電（ImpulseRadio）、時域（TImeDomain）或無載波（CarrierFree）通信。具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統復雜度低、能提供精確定位精度等優點，在室內或者建築物比較密集的場合可以獲得良好的定位效果，同時在進行測距、定位、跟蹤時也能達到更高的精度。因此，超寬帶技術可以應用於室內靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航，且能提供十分精確的定位精度。
