UWB(Ultra-WideBand) 超寬帶，是一種類似于藍牙、WIFI等近距離通信的無線通信技術。為什么叫超寬帶呢？兩個原因：第一是可用頻譜帶寬 (OBW) 很寬，FCC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，FCC規定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制方式不同，UWB技術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技術起源于20世紀60年代對微波網絡沖擊響應的研究，最初被稱為脈沖無線電 (Impulse Radio) ，并且一直被美國軍方嚴格控制，主要應用于軍用雷達系統。直到1989年，這項技術才被美國國防部首次正式命名UWB（超寬帶）。

說起這項技術的最初起源不得不提到三個人：

1887年，德國物理學家海因里希·赫茲（Heinrich Rudolf Hertz ）利用火花間隙發射器（Spark Gap Transmitter）產生脈沖無線電，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多英里發送了摩斯碼序列。

而現代意義上UWB在通信和雷達領域的研究與應用，卻是起源于20世紀中葉：

1950年代末，林肯實驗室（Lincoln Laboratory）和斯佩里研究中心（Sperry Research Center）開發的相控陣雷達系統，是現代UWB技術研究的開端。

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

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

1974年，GSSI公司憑借Morey設計的用于穿透地面的UWB雷達系統取得了商業成功。

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

直到2002年，UWB 獲得 FCC 批準，允許在雷達、公共安全和數據通信應用中免許可使用 UWB 系統，至此，UWB技術才算與軍工正式解綁。此后：

2002年，WiMedia 聯盟致力于促進個人區域網絡中設備之間的無線多媒體連接和互操作性，推出首個 UWB 規范。

2018年，UWB 聯盟肩負著為 UWB 生態系統發聲的使命，通過端對端以及與供應商無關的互操作項目支持 UWB 技術的發展。

2019年，FiRa 聯盟成立，利用可相互操作的 UWB 技術的安全精細測距和定位功能提供無縫的用戶體驗。R&S就是Fira聯盟的成員之一。

2020年，OMLOX 聯盟成立，推出集成了所有現有技術（如 UWB、BLE、RFID、5G 或 GPS）的行業標準，并通過統一接口提供定位數據。

2021年，全球車聯聯盟（CCC）數字密鑰版本3.0規范發布，增加了藍牙 LE 和 UWB，以實現無源無鑰匙接入和發動機啟動。

而讓UWB真正進入到大眾視野，則是2019年蘋果發布iPhone 11的時候，人們僅從背景幻燈片中看到了U1芯片，就對其產生了強烈關注。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品中引入了UWB技術；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品發布時強調自己使用了UWB數字鑰匙。一時間，UWB技術成為了無線通信技術的新寵兒。

那么究竟UWB有什么優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，根據香農公式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可實現幾百Mbit/s以上的傳輸速度；

3發射功率低

按照FCC的法規，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系統保密性好：

因為帶寬比較大，則相應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高精度定位，距離分辨精度可達到厘米級；

7穿透能力強

UWB窄脈沖由于要在較短時間內傳遞大量能量，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是近些年引起人們重新對UWB技術產生持續關注的一個重要原因。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（到達時間差定位），TOA（到達時間定位），TWR（雙向測距法），AOA（到達角定位來實現終端的定位）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發送Poll包，Responder在經過Treply的時間之后返回相應數據包，這個相應數據包包含了Treply的時間，Initiator通過它的發包時間、收包時間和解析到的Responder的響應時間，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的以上技術特性，UWB的主要應用就在于數據傳輸、雷達成像、測距定位等領域，概括起來主要涉及到軍事和民用兩個方面。

在軍事領域，UWB技術主要應用于低截獲率（LPI/D）的內部無線通信系統、LPI/D地波通信、LPI/D高度計、戰場手持和網絡LPI/D電臺、UWB雷達、防撞雷達、警戒雷達、無線標簽、接近引信、高精度定位系統、無人駕駛飛行器和地面戰車及其通信鏈路、探測地雷、檢測地下目標等。

在民用方面，UWB技術的應用也越來越廣泛：

01智能家居

可實現智能設備之間的高速、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工業物聯網

在工業環境中，可用于人員、車輛、資產精確的定位、并在定位基礎上實現設備控制、軌跡追蹤、區域報警、攝像聯動等延伸功能，提高生產效率和安全性；

03汽車領域

UWB 技術在車輛數字鑰匙、生物雷達、車內通信、自動駕駛等方面的應用越來越被關注；

04消費電子

UWB 技術有望在文件傳輸、智能手機/家居、新零售、體育賽事、增強現實（AR）/虛擬現實（VR）等領域發揮更大作用；

05醫療保健

UWB 技術可用于醫療設備的定位和追蹤，提高醫療服務的質量和效率；

06智慧城市

UWB 技術還可用于智能交通、公共安全等領域，提升城市的智能化水平。

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

參考文獻出處：

1.R&S的《2020無線通信解決方案匯編》的6.6 超寬帶UWB通信概述以及測試方案

2. 知乎：UWB的工作原理是什么？