UWB（Ultra Wide Band，中文：超宽带），是一种利用纳米至微米级的非正弦波窄脉冲传输数据的无线通信技术。美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）对UWB技术的规定为：在3.1~10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。
UWB技术的基本思想可以追溯到20世纪40年代。随着人们对电磁波研究的深入，1942年就已经出现有关随机脉冲系统的专利，这也是UWB技术发展的基础。到20世纪60年代，美国军方已经将UWB技术用于雷达、定位和通信系统中。1989年，美国国防部首次使用了术语“超宽带”。2002年，UWB技术首次获得了美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）的批准而用于民用通信。2003年，UWB美国和欧洲标准发布，这是UWB发展的第一个里程碑。2005年3月，FCC批准MBOA-UWB、DSUWB的高速产品测试。同年下半年，英国和日本政府监管部门批准UWB方案，支持UWB发展。
2006年，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）在确定了各国频谱分配原则后，第一次核准UWB全球性监管标准建议。2007年3月，ISO正式通过了WiMedia联盟提交的MB-OFDM标准。WiMedia联盟最终在标准上胜出，正式成为UWB技术的第一个国际标准。2015年，大型科技公司开始采用UWB技术。2016年，汽车生产领域认识到UWB的价值。基于UWB高精度定位的特点，逐渐应用于汽车防撞系统。2019年至2020年，UWB 技术终于正式进入了主流消费电子产品，2020年下半年，IEEE更新了UWB的相关标准（802.15.4z），从而为UWB进一步进入主流应用铺平了道路。
UWB无线系统的关键技术主要包括：产生脉冲信号串(信号源)的方法、脉冲串的调制方法、适用于UWB的有效天线设计方法及接收机的设计方法等。该技术解决了困扰传统无线通信技术多年的有关传播方面的重大难题，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、截获率低、系统复杂度低、能提供厘米级的定位精度等优点。
概念解释
UWB是一种利用纳米至微米级的非正弦波窄脉冲传输数据的无线通信技术。UWB不采用正弦载波，它采用时间间隔极短（小于1ns)的脉冲进行通信，又称为脉冲无线电（Impulse Radio）、时域（时间 Domain）或无载波（Carrier Free）通信。具体定义为相对带宽（信号带宽与中心频率的比）大于25%的信号或带宽超过1.5GHz的信号。实际上UWB信号是一种持续时间极短带宽很宽的短时脉冲。其主要形式是超短基带脉冲，宽度一般在0.1~20ns(1ns=103s)，脉冲间隔为2~5000ns，精度可控，频谱为50~10GHz。频带大于100%中心频率，典型占空比为0.1%。传统的UWB系统使用一种称为“单周期(Monocycle)脉形”的脉冲。一般情况下，它通过隧道二极管或者水银开关产生，在计算机仿真中用gaussian脉冲来近似代替。
历史沿革
UWB技术的基本思想可以追溯到20世纪40年代。随着人们对电磁波研究的深入，1942年就已经出现有关随机脉冲系统的专利，这也是UWB技术发展的基础。到20世纪60年代，美国军方已经将UWB技术用于雷达、定位和通信系统中。最初的UWB技术不使用载波，而是利用纳米到皮米级（1012m）的非正弦波窄脉冲来传输数据。当时，UWB主要利用占频带极宽的超短基带脉冲进行通信，因此又被称为“基带”“无载波”或“脉冲”系统。1972年，一种高灵敏的短脉冲接收设备研制成功，加速了UWB 技术的研究和发展。到20世纪80年代后期，该技术开始被称为“无载波”无线电或脉冲无线电。1989年，美国国防部首次使用了术语“超宽带”。
2002年，UWB技术首次获得了美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）的批准而用于民用通信，2002年2月，美国联邦通信委员会发布了民用UWB设备使用频谱和功率的初步规定，发布全球第一个民用UWB设备使用频谱规范，使UWB技术的研发骤然加速。2003年，UWB美国和欧洲标准发布，这是UWB发展的第一个里程碑。2005年3月，WiMedia和Ecma提交WiMedia UWB平台规范，FCC批准MBOA-UWB、DSUWB的高速产品测试。同年下半年，英国和日本政府监管部门批准UWB方案，支持UWB发展。2006年，国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）在确定了各国频谱分配原则后，第一次核准UWB全球性监管标准建议。2007年3月，ISO正式通过了WiMedia联盟提交的MB-OFDM标准。WiMedia联盟最终在标准上胜出，正式成为UWB技术的第一个国际标准。同年8月，IEEE802.15.4a发布，增强了支持UWB的PHY（PhysicalLayer，物理层）。UWBPHY分配的频率分为三个范围：1GHz以下、3~5GHz以及6~10GHz。
2010年，工业UWB市场蓬勃发展。2015年，大型科技公司开始采用UWB技术。2016年，汽车生产领域认识到UWB的价值。基于UWB高精度定位的特点，逐渐应用于汽车防撞系统。2018年，IEEE802.15.4z开始制定。新的标准中，定义了LRP(Low Rate Pulse repetition)、HRP(HighRatePulserepetition)两种UWB 模式，其中LRP是新追加的，而HRP则是继承了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 技术终于正式进入了主流消费电子产品（iPhone 11和三星Note 20 Ultra），2020年下半年，IEEE更新了UWB的相关标准（802.15.4z），从而为UWB进一步进入主流应用铺平了道路。更新标准中，对于UWB定位的安全性做了改进，从而可以从理论上进一步防止基于UWB的定位被黑客入侵和篡改。
工作原理
UWB技术最基本的工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲，超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽，接收机直接用一级前端交叉相关器就把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，极大地降低了设备复杂性。基于CDMA，UWB开发了一个具有最高空间容量的新无线信道和无线脉冲收发信机。在发送端，时钟发生器产生一定周期的脉冲序列，用户要传输的信息和表示其地址的伪随机码，分别或合成后对上述周期脉冲序列进行一定方式的调制，调制后的脉冲序列驱动脉冲产生电路，产生一定形状和规律的脉冲序列，然后放大到所需功率，再耦合到UWB天线发射出去。在接收端，UWB天线接收的信号经低噪声放大器放大后，送到相关器的一个输入端，相关器的另一个输入端加入一个本地产生的与发射端同步且经用户伪随机码调制的脉冲序列。相关器对两输入脉冲序列进行乘法、积分和抽样保持等运算，产生一个与用户地址信息分离的信号，其中仅含用户传输信息以及其他干扰，然后再对该信号进行解调运算。
关键技术
按美国联邦通信委员会（FederalCommunicationsCommission，FCC）的定义，UWB带宽是比中心频率高25%或者是大于1.5GHz的带宽。例如，一个中心频率在4GHz的信号只有跨越从3.5GHz（或更低）至4.5GHz（或更高）的范围才能称得上是一个UWB信号。UWB无线系统的关键技术主要包括：产生脉冲信号串(信号源)的方法脉冲串的调制方法、适用于UWB的有效天线设计方法及接收机的设计方法等。
UWB脉冲信号的产生
产生宽度为纳秒级的脉冲信号源是UWB技术的前提条件。单个无载波窄脉冲信号有两个突出的特点，一是激励信号的波形为具有陡峭前沿的单个短脉冲:二是激励信号从直流到微波波段，包括很宽的频谱。产生脉冲源的方法有两类：一是利用光导开关导通瞬间的陡峭上升沿获得脉冲信号的光电法；二是对半导体PN结反向加电，使其达到雪崩状态，并在导通的瞬间取陡峭的上升沿作为脉冲信号的电子法。光电法是最有发展前景的一种方法，而电子法是目前应用最广泛的一种，但由于采用电脉冲信号触发，其前沿较宽，触发精度受到限制，特别是在要求精确控制脉冲发生时间的场合，达不到控制的精度。
冲激脉冲通常采用高斯单周期脉冲，宽度在纳秒级，具有很宽的频谱，一个信息比特可映射为数百个这样的脉冲。实际通信中使用的是一长串的脉冲，由于时域中的信号有重复周期性，将会造成频谱离散化，对传统无线电设备和信号产生干扰，需要通过适当的信号调整来降低这种干扰的影响。
信息的调制
脉冲的幅值、位置和极性变化都可以用于传递信息。因此，适用于UWB的主要单脉冲调制技术包括：脉冲幅值调制（PuseAmplitude Modulaton.PAM）、脉冲位置调制（PulsePosition Modulation，PPM）()、通断键控（On-Of-Keying，OOK）、二相调制（Binary PhaseModulation，BPM）和跳时/直扩二进制相移键控调制（时间 Hopping/Direct Spread-BinaryPhase Shif Keying，TH/DS-BPSK）等。其中PPM和PAM是超宽带无线电的两种主要调制方式。
PPM又称时间调制(TimeModulaton，TM)，是用每个脉冲出现的位置超前或落后于某一标准或特定的时刻来表示某个特定信息的，因此对调制信号需要在接收端用匹配滤波技术来正确接收，即对调制信息用交叉相关器在达到零相差的时候进行检测，否则，达不到正确接收的目的。PAM是用信息符号控制脉冲幅值的一种调制方式，它既可以改变脉冲的极性，也可以仅改变脉冲的幅值，而通常所讲的PAM只改变脉冲幅值的大小。BPM和OOK是聚丙烯酰胺的两种简化形式。BPM通过改变脉冲的正负极性来调制二元信息，所有脉冲幅值的绝对值相同:而00K通过脉冲的有无来传递信息。在PAM、BPM和OOK调制中，发射脉冲的时间间隔是固定不变的。
多址方式
在移动通信中，许多用户同时通话，以不同的移动信道相分隔，防止相互干扰的技术方式称为多址方式。在UWB系统中，多址接人方式与调制方式有密切联系。当系统采用PPM调制方式时，多址接人方式多采用跳时多址:若系统采用BPSK方式时，多址接入方式通常有两种，即直序方式和跳时方式。基于上述两种基本的多址方式，许多其他多址方式也陆续提出，主要有以下几种。
伪混沌跳时多址方式（PCTH）
PCTH根据调制的数据产生非周期的混沌编码，用它替代TH-PPM中的伪随机序列和调制的数据，控制短脉冲的发送时刻，使信号的频谱发生变化。PCTH调制不仅能减少对现有无线通信系统的影响而且不易被检测到。
DS-BPSK/TH混合多址方式
此方式在跳时（TH）的基础上，通过直接序列扩频码进一步减少多址干扰，其多址性能优于TH-PPM，与DS-BPSK相当。在实现同步和抗远近效应方面具有一定的优势。
DS-BPSK/FixedTH混合多址方式
此方式的特点是打破了TH-PPM多址方式中采用随机跳时码的常规思路，利用具有特殊结构的固定跳时码，减少不同用户脉冲信号的碰撞概率。即使有碰撞发生，利用直接序列扩频的伪随机码特性，也可以进一步削弱多址干扰。
此外，由于UWB脉冲信号具有极低的占空比，其频谱能够达到GHz数量级，因而UWB在时域中具有其他调制方式所不具有的特性。当多个用户的UWB信号被设计成不同的正交波形时，根据多个UWB用户时域发送波形的正交性以区分用户，实现多址，称为波分多址技术。
天线
UWB系统采用极短的脉冲信号来传送信息，信息被调制在这些脉冲的幅值、位置、极性或相位等参数上，对应所占用的带宽甚至高达几GHz。因此，能够有效辐射时域短脉冲的天线是UWB研究的一个重要方面。UWB天线应该是输人阻抗具有UWB特性和相位中心具有超宽频带不变特性，这就要求天线的输入阻抗和相位中心在脉冲能量分布的主要频带上保持一致，以保证信号的有效发射和接收。
时域短脉冲辐射技术早期采用双锥天线、V-锥天线、扇形偶极子天线，这几种天线存在馈电难、辐射效率低、收发耦合强、无法测量时域目标等特性，只能用作单收发。现在出现了利用光刻技术制成的毫米、亚毫米波段的集成天线，还有利用微波集成电路制成的UWB平面槽天线，其特点是能产生对称波束、可平衡UWB馈电、具有UWB特性。
收发信机
在得到相同性能的前提下，UWB收发信机的结构比传统的无线收发信机要简单。传统的无线收发信机大多采用超外差式结构，UWB收发信机采用零差结构，实现起来也比较简单，无须本振、功放、压控振荡器、锁相环、混频器等环节。在接收端，天线收集的信号经放大后通过匹配滤波或相关接收机处理，再经高增益门限电路恢复原来信息。距离增加时，可以在发信端用几个脉冲发送同一信息比特的方式增加接收机的信噪比，同时可以通过软件控制，动态地调整数据速率、功耗与距离的关系，使UWB具有极大的灵活性，这种灵活性正是未来移动计算所必需的。现代数字无线技术常采用DSP芯片（DigitalSignalProcessor，DSP）芯片的软件无线电来产生不同的调制方式，这些系统可逐步降低信息速率以在更大的范围内连接用户即使最简单的收发信机也可采用这一数字技术。
技术特点
UWB技术解决了困扰传统无线通信技术多年的有关传播方面的重大难题，具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、截获率低、系统复杂度低、能提供厘米级的定位精度等优点。
系统结构的实现比较简单
当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波，载波的频率和功率在一定范围内变化，利用载波的状态变化来传输信息。而UWB技术则不使用载波，它通过发送纳秒级非正弦波窄脉冲来传输数据信号。UWB系统中的发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功率放大器与混频器。UWB系统允许采用价格低廉的宽带发射器。同时在接收端，UWB系统的接收机也有别于传统的接收机，不需要中频处理。因此，UWB系统结构的实现比较简单。
高速的数据传输
UWB的数据速率可以达到几百MbiVs到几GbiVs，有望高于蓝牙100倍。民用商品中，一般要求UWB信号的传输范围为10m以内，根据经过修改的信道容量公式，民用商品数据传输速率可达500Mbit/s。UWB技术是实现WPAN和WLAN的一种理想调制技术。UWB技术以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，UWB技术可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。
低功耗
UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据。脉冲持续时间很短，一般为0.20~1.5ns，有很低的占空比。系统耗电很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百微瓦至几十毫瓦。民用UWB设备的功率一般是传统移动电话所需功率的1/100左右，是蓝牙设备所需功率的1/20左右。军用的UWB电台耗电也很低。因此，UWB设备在电池寿命和电磁辐射上，与传统无线通信设备相比，有着很大的优势。通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波，因此要消耗一定电能。而UWB不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波，并且在需要时才发送脉冲电波，所以消耗电能少。UWB系统发射功率非常小，用小于1mW的发射功率就能实现通信。低发射功率大大延长了系统电源工作时间。
安全性高
作为通信系统的物理层技术，UWB技术具有天然的安全性能。由于UWB一般把信号能弥散在极宽的频带范围内，对于一般通信系统来说，UWB信号相当于白噪声信号。并且在大多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声的功率谱密度，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。
多径分辨能力强
由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。但超宽带无线电发射的是持续时间极短且占空比极小的单周期脉冲，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10~30dB的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不到5dB。
定位精确
冲激脉冲具有很高的定位精度。采用UWB技术，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。UWB技术具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而卫星定位系统只能工作在定位卫星的可视范围之内。与卫星定位提供绝对地理位置不同，超宽带无线电定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级。此外，超宽带无线电定位器更便宜。
工程简单、造价便宜
在工程实现上，UWB技术比其他无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲进行调制。而实现上述过程所需的电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本很低。由于UWB技术使用基带传输，无须进行射频调制和解调，所以不需要混频器、过滤器、RF/TF转换器及本地振荡器等复杂元件，系统结构简化，成本大大降低，同时更容易集成到CMOS电路中。
抗干扰性能强
UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的抗干扰处理增益(一般在50dB以上)，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，使系统具有较强的抗干扰能力。
带宽极宽
UWB使用的带宽在1GHz以上，最高达几GHz，并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。
保密性好
UWB保密性表现在两方面：一方面是采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时才能解出发射数据；另一方面是系统的发射功率谱密度极低，用传统的接收机无法接收。
应用场景
短距离点到点通信
短距离点到点通信面向各种移动设备之间的高速信息传输，例如，PDA、MP3、可视电话、5G 手机等设备之间的短距离点到点通信，包括多媒体文件传输、游戏互动等。
设备间无线连接
设备间无线连接主要实现桌面PC、笔记本计算机、移动设备与各种外设之间的无线连接。
数据传输
高速UWB的数据传输速率可以达到数百兆bits，可用于构建短距离高速WPAN、家庭无线多媒体网络以及替代高速率短程有线连接，实现数字电视、家庭影院、DVD机、投影机、数码相机、机顶盒等家用电子设备之间的可视文件和数据流的传输。其典型的通信距离是10m。
系统管理
结合UWB的高精度定位能力，用于企业仓储管理和智能交通等各类物联网系统中，为精准的存货追踪管理、汽车防撞系统、测速、收费系统提供解决方案。
高指向性应用
UWB和雷达信号的相似性启发了使用UWB做高指向性应用。众所周知，雷达通过天线阵列可以实现高指向性扫描，因此UWB配合类似的天线设计，也可以实现高指向性的信号传输，这一点在IPhone 11 和小米的“一指连”中都得到了充分应用。例如，小米的“一指连”使用了天线阵列，从而实现高指向性UWB信号收发，最终实现了手机可以把视频投影到它所指向的电视上的效果。
在高速WPAN中的应用
高速WPAN的主要目标是解决个人空间内各种办公设备及消费类电子产品之间的无线连接，以实现信息的高速交换、处理、存储等，其应用场合包括办公室、家庭等。目前，个人空间内的消费电子产品、个人计算机及其外围设备之间互连都采用USB2.0或IEEE1394标准，但同时也被这些有线传输的线缆所束缚。而超宽带技术具有个人空间设备无线化的潜力，以至实现整个移动通信工业产品之间的互联。
在低速WPAN中的应用
低速WPAN与电信网络相结合的应用主要在信息服务、移动支付、远程监控以及某些点对点（P2P）技术应用等，这些应用归纳到无线传感器网络的范畴。无线传感器网络拓扑具有随机变化的特点，节点信息往往需要通过中间节点进行多次转发才能到达目标节点，而在无线传感器网络中采用超宽带技术作为无线连接手段，可以提供高精度测距和定位业务（精度1m以内），以及实现更长的作用距离和超低耗电量，可用于车载防撞雷达、远程传感器网络、家庭智能控制系统等很多领域。
无线个人区域网
UWB可以在限定的范围（如4m)内，以很高的传输速率（如480Mbps）与很低的功耗（200μW）传输信息。蓝牙的传输速率为1Mbps时，功耗需要1mW。因此，UWB能够通过无线方式快速传输照片、文件、视频等数据。
智能交通应用
除了高速和低功耗的特点之外，UWB还具有精确定位和搜索能力。汽车使用基于UWB的定位和搜索功能的防碰撞与防障碍物雷达，在车的前方、后方、旁边有障碍物时，雷达将向司机发出预警。利用UWB可以建立智能交通管理系统，由若干个站台设备和一些车载设备组成无线通信网，两种设备之间通过UWB进行通信，实现不停车自动收费、汽车定位、速度测量、道路信息获取、行驶建议提出等功能。
传感器联网
UWB是一个低成本、低功耗的无线通信技术。这点使得UWB适用于无线传感网。在大多数的应用中，传感器被用在特定的局部范围内。传感器之间通过UWB无线通信来组网。由于UWB通信是低功耗的，可避免传感器节点频繁更换电池，延长无线传感网生存时间，降低系统维护的工作量与成本，因此UWB是无线传感网通信技术的合适候选者。
成像应用
由于具有良好的穿透墙和楼层的能力，UWB信号可以应用于成像系统。利用UWB技术可以制造穿墙雷达和穿地雷达。基于UWB的穿墙雷达可用于战场和警察的防暴行动，协助定位墙后和角落的敌人。基于UWB的穿地雷达可用于探测矿产，以及在地震或其他灾难后搜寻幸存者。基于UWB信号的这种特点，也可以研究出具有与X射线同等功能的新型医学成像系统。
军事应用
在军事方面，UWB已被用于实现超保密的通信系统，构建实战传感网来接入和定位每个战士。另外，基于UWB的穿地雷达能够进行地雷探测。显然，UWB由于具有安全性高、无线信号穿透能力强、传输速率快、系统容量大、抗干扰能力强、定位精确、功耗低、造价低等优点，因此在AIoT及其接入中有广阔的应用前景，被评价为下一代无线通信的关键技术之一，具有很高的研究价值。
参考资料
搞定物联网定位:UWB高精度定位技术原理与实现.微信公众平台.2024-12-14