UWB(Ultra-WideBand) 超寬帶，是一種類似于藍(lán)牙、WIFI等近距離通信的無線通信技術(shù)。為什么叫超寬帶呢？兩個原因：第一是可用頻譜帶寬 (OBW) 很寬，F(xiàn)CC分配給它的寬帶從3.1GHz~10.6GHz，共計約7.5GHz；第二是載波帶寬 (CBW) 也比較寬，F(xiàn)CC規(guī)定UWB信號帶寬至少在500MHz以上；另外與常見的把正弦波作為載波信號的調(diào)制方式不同，UWB技術(shù)的重要特點是用一個具有很陡的上升沿和下降沿的沖激脈沖進行直接調(diào)制，這就使得信號有比較寬的頻譜特征，所以超寬帶的叫法確實是實至名歸。

按照FCC的定義，規(guī)定傳輸任意時刻10dB滾降點絕對帶寬(FH-FL)> 500MHz的信號或者相對帶寬2*(FH-FL)/ (FH+FL) > 20%的信號稱為超寬帶UWB信號。如下圖所示：

UWB技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代對微波網(wǎng)絡(luò)沖擊響應(yīng)的研究，最初被稱為脈沖無線電 (Impulse Radio) ，并且一直被美國軍方嚴(yán)格控制，主要應(yīng)用于軍用雷達(dá)系統(tǒng)。直到1989年，這項技術(shù)才被美國國防部首次正式命名UWB（超寬帶）。

說起這項技術(shù)的最初起源不得不提到三個人：

1887年，德國物理學(xué)家海因里希·赫茲（Heinrich Rudolf Hertz ）利用火花間隙發(fā)射器（Spark Gap Transmitter）產(chǎn)生脈沖無線電，證實了電磁波的存在。

1893年，“最接近神的男人”尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）利用脈沖無線電向公眾展示了無線電通信的可能。

1901年，意大利電氣工程師古列爾莫·馬可尼（Guglielmo Marconi）利用脈沖無線電橫跨大西洋2100多英里發(fā)送了摩斯碼序列。

而現(xiàn)代意義上UWB在通信和雷達(dá)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，卻是起源于20世紀(jì)中葉：

1950年代末，林肯實驗室（Lincoln Laboratory）和斯佩里研究中心（Sperry Research Center）開發(fā)的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，是現(xiàn)代UWB技術(shù)研究的開端。

1969年至1984年間，美國天主教大學(xué)（Catholic University of America）的Harmuth出版的書籍和論文，奠定了UWB收發(fā)器的設(shè)計基礎(chǔ)。

1973年，Ross發(fā)表的專利（US Patent 3728632）是UWB通信領(lǐng)域的一個重要里程碑。

1974年，GSSI公司憑借Morey設(shè)計的用于穿透地面的UWB雷達(dá)系統(tǒng)取得了商業(yè)成功。

1977年，美國空軍羅馬航空發(fā)展中心（USAF's Rome Air Development Center）的Paul van Etten對UWB雷達(dá)系統(tǒng)進行實驗測試，促進了UWB系統(tǒng)設(shè)計和天線概念的發(fā)展。

直到2002年，UWB 獲得FCC 批準(zhǔn)，允許在雷達(dá)、公共安全和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用中免許可使用UWB 系統(tǒng)，至此，UWB技術(shù)才算與軍工正式解綁。此后：

2002年，WiMedia 聯(lián)盟致力于促進個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備之間的無線多媒體連接和互操作性，推出首個 UWB 規(guī)范。

2018年，UWB 聯(lián)盟肩負(fù)著為 UWB 生態(tài)系統(tǒng)發(fā)聲的使命，通過端對端以及與供應(yīng)商無關(guān)的互操作項目支持 UWB 技術(shù)的發(fā)展。

2019年，F(xiàn)iRa 聯(lián)盟成立，利用可相互操作的 UWB 技術(shù)的安全精細(xì)測距和定位功能提供無縫的用戶體驗。R&S就是Fira聯(lián)盟的成員之一。

2020年，OMLOX 聯(lián)盟成立，推出集成了所有現(xiàn)有技術(shù)（如 UWB、BLE、RFID、5G 或 GPS）的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并通過統(tǒng)一接口提供定位數(shù)據(jù)。

2021年，全球車聯(lián)聯(lián)盟（CCC）數(shù)字密鑰版本3.0規(guī)范發(fā)布，增加了藍(lán)牙 LE 和 UWB，以實現(xiàn)無源無鑰匙接入和發(fā)動機啟動。

而讓UWB真正進入到大眾視野，則是2019年蘋果發(fā)布iPhone 11的時候，人們僅從背景幻燈片中看到了U1芯片，就對其產(chǎn)生了強烈關(guān)注。而U1芯片的U指的就是UWB；隨后，小米、三星等廠商也都宣布在其手機新產(chǎn)品中引入了UWB技術(shù)；而車企也都不甘落后，紛紛把目光投向UWB，于是寶馬、蔚來、比亞迪等均在其新產(chǎn)品發(fā)布時強調(diào)自己使用了UWB數(shù)字鑰匙。一時間，UWB技術(shù)成為了無線通信技術(shù)的新寵兒。

那么究竟UWB有什么優(yōu)點讓這么多知名廠商青睞有加呢？

1信道容量大

UWB帶寬在500 MHz以上，根據(jù)香農(nóng)公式C=B*log2(1+SNR)，帶寬越寬，信道容量越大；

2傳輸速率高

UWB在十米的傳輸距離范圍內(nèi)可實現(xiàn)幾百Mbit/s以上的傳輸速度；

3發(fā)射功率低

按照FCC的法規(guī)，其輸出功率被限制在-41.3dBm/MHz以下，從而降低了功耗和對其他無線系統(tǒng)的干擾；

4多徑分辨率高

UWB信號因為具有較強的時間和空間分辨率，對信道衰減不敏感，抗衰減能力強；

5系統(tǒng)保密性好：

因為帶寬比較大，則相應(yīng)的功率譜密度就會低，使得UWB信號難以被檢測和甄別，從而提高了其安全性；

6定位精度高：

UWB的窄脈沖脈寬很窄，為納秒級，所以有非常高的時間和空間分辨率，從而精確測量信號傳輸時間進而實現(xiàn)高精度定位，距離分辨精度可達(dá)到厘米級；

7穿透能力強

UWB窄脈沖由于要在較短時間內(nèi)傳遞大量能量，因而具有很強的穿透能力，能穿透障礙物并識別其背后隱藏的物體。

而其中的測距定位技術(shù)是近些年引起人們重新對UWB技術(shù)產(chǎn)生持續(xù)關(guān)注的一個重要原因。它的定位基本原理是利用TOF（Time of Flight）進行精確測距，基于這一基本算法，還可采用其他的進階算法，如TDOA（到達(dá)時間差定位），TOA（到達(dá)時間定位），TWR（雙向測距法），AOA（到達(dá)角定位來實現(xiàn)終端的定位）等；篇幅所限，我們在本文僅淺談一下TOF的基本概念，如下圖所示：

Initiator向Responder發(fā)送Poll包，Responder在經(jīng)過Treply的時間之后返回相應(yīng)數(shù)據(jù)包，這個相應(yīng)數(shù)據(jù)包包含了Treply的時間，Initiator通過它的發(fā)包時間、收包時間和解析到的Responder的響應(yīng)時間，可以計算得到TOF，TOF再乘以光速就得到了Initiator和Responder之間的距離。

正是鑒于UWB的以上技術(shù)特性，UWB的主要應(yīng)用就在于數(shù)據(jù)傳輸、雷達(dá)成像、測距定位等領(lǐng)域，概括起來主要涉及到軍事和民用兩個方面。

在軍事領(lǐng)域，UWB技術(shù)主要應(yīng)用于低截獲率（LPI/D）的內(nèi)部無線通信系統(tǒng)、LPI/D地波通信、LPI/D高度計、戰(zhàn)場手持和網(wǎng)絡(luò)LPI/D電臺、UWB雷達(dá)、防撞雷達(dá)、警戒雷達(dá)、無線標(biāo)簽、接近引信、高精度定位系統(tǒng)、無人駕駛飛行器和地面戰(zhàn)車及其通信鏈路、探測地雷、檢測地下目標(biāo)等。

在民用方面，UWB技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛：

01 智能家居

可實現(xiàn)智能設(shè)備之間的高速、低延遲通信，為智能家居提供更高效的控制和更便捷的用戶體驗；

02 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

在工業(yè)環(huán)境中，可用于人員、車輛、資產(chǎn)精確的定位、并在定位基礎(chǔ)上實現(xiàn)設(shè)備控制、軌跡追蹤、區(qū)域報警、攝像聯(lián)動等延伸功能，提高生產(chǎn)效率和安全性；

03 汽車領(lǐng)域

UWB 技術(shù)在車輛數(shù)字鑰匙、生物雷達(dá)、車內(nèi)通信、自動駕駛等方面的應(yīng)用越來越被關(guān)注；

04 消費電子

UWB 技術(shù)有望在文件傳輸、智能手機/家居、新零售、體育賽事、增強現(xiàn)實（AR）/虛擬現(xiàn)實（VR）等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用；

05 醫(yī)療保健

UWB 技術(shù)可用于醫(yī)療設(shè)備的定位和追蹤，提高醫(yī)療服務(wù)的質(zhì)量和效率；

06 智慧城市

UWB 技術(shù)還可用于智能交通、公共安全等領(lǐng)域，提升城市的智能化水平。

然而，UWB 技術(shù)的廣泛應(yīng)用還將面臨一些挑戰(zhàn)，例如覆蓋范圍有限、芯片和設(shè)備成本高、與其他無線技術(shù)的共存和兼容性等問題。但隨著技術(shù)的不斷進步、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的不斷完善、這些問題有望得到逐步解決。總體而言，UWB 技術(shù)的前景十分廣闊，將為人們的生活和工作帶來更多的創(chuàng)新和便利。

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