擁有 132 年歷史的超寬帶 （UWB） 通信技術(shù)現(xiàn)在正在為短距離無線連接設(shè)備重新煥發(fā)活力。許多行業(yè)觀察家聲稱，UWB 可以證明比藍(lán)牙更成功，因?yàn)樗俣雀?、更便宜、功耗更低、更安全，并提供卓越的位置發(fā)現(xiàn)和設(shè)備測距。

英特爾、時(shí)域、蘋果、華為、三星、小米、恩智浦、索尼、博世和 Xtreme Spectrum 等公司都在研究和投資 UWB 技術(shù)。事實(shí)上，Apple 已經(jīng)在其 iPhone 11 中提供了 UWB 芯片，可通過“飛行時(shí)間”測量實(shí)現(xiàn)卓越的定位精度和測距。

在本文中，我們將介紹超寬帶技術(shù)的基礎(chǔ)知識，包括其起源、優(yōu)勢以及對傳輸方法的高層次了解。

什么是超寬帶？

超寬帶 （UWB） 是一種短距離無線通信協(xié)議（如 Wi-Fi 或藍(lán)牙），在未經(jīng)許可的應(yīng)用中使用頻率范圍為 3.1 至 10.5 GHz 的短脈沖無線電波。

術(shù)語 UWB 用于大于或等于 500 MHz 的帶寬 （BW） 或大于 20% 的分?jǐn)?shù)帶寬 （FBW），其中FBW = BW/fc，其中fc是中心頻率。

超寬帶的歷史

UWB 技術(shù)的歷史可以追溯到第一臺(tái)人造無線電的時(shí)代，當(dāng)時(shí)馬可尼使用火花隙（短電脈沖）發(fā)射器進(jìn)行無線通信。

1920 年，UWB 信號被禁止用于商業(yè)用途。UWB 技術(shù)僅限于高度機(jī)密的安全通信程序下的國防應(yīng)用。直到 1992 年，UWB 才開始受到科學(xué)界的廣泛關(guān)注。

高速微處理器和快速開關(guān)技術(shù)的發(fā)展使 UWB 在商業(yè)上可用于短距離、低成本的通信。早期應(yīng)用包括雷達(dá)系統(tǒng)、通信、消費(fèi)電子產(chǎn)品、無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)、定位和醫(yī)療電子產(chǎn)品。從那時(shí)起，UWB 電磁學(xué)、組件和系統(tǒng)工程的詳細(xì)知識得到了發(fā)展。

2002 年，美國聯(lián)邦通信委員會(huì) （FCC） 是全球第一個(gè)發(fā)布允許未經(jīng)許可使用已分配頻譜的 UWB 法規(guī)的組織。但是，允許的功率限制設(shè)置得非常低，以避免干擾在該頻段運(yùn)行的其他技術(shù)，例如 WiFi、藍(lán)牙等。

UWB 信號的低頻譜密度很有吸引力，這使得 UWB 不易受到來自其他窄帶信號的帶內(nèi)干擾，并且非常安全，因?yàn)樗鼈冇捎诘凸β拭芏榷y以檢測。

超寬帶技術(shù)的優(yōu)勢

UWB 信號的超寬帶寬可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)的室內(nèi)性能。

下面重點(diǎn)介紹了此帶寬的一些功能：

寬帶寬可在密集環(huán)境中抵抗信道效應(yīng)，并實(shí)現(xiàn)非常精細(xì)的時(shí)空分辨率，以實(shí)現(xiàn) UWB 節(jié)點(diǎn)的高精度室內(nèi)定位，例如新款 iPhone 11。

低于環(huán)境噪聲的低頻譜密度確保了信號檢測的低概率并提高了通信的安全性。

使用 UWB 可以在短距離內(nèi)傳輸高數(shù)據(jù)速率。

UWB 系統(tǒng)可以與已經(jīng)部署的窄帶系統(tǒng)共存。

超寬帶傳輸

數(shù)據(jù)傳輸采用兩種不同的方法：

皮秒范圍內(nèi)的超短脈沖，同時(shí)覆蓋所有頻率（也稱為脈沖無線電）

將總 UWB 帶寬細(xì)分為一組寬帶正交頻分復(fù)用 （OFDM） 信道

第一種方法具有成本效益，但會(huì)降低信噪比。一般來說，脈沖無線電傳輸不需要使用載波，這意味著與傳統(tǒng)窄帶收發(fā)器（即更簡單的收發(fā)器架構(gòu)）相比，復(fù)雜性降低，因?yàn)樾盘柺峭ㄟ^ UWB 天線直接輻射的。高斯單周期或其衍生物之一是易于生成的 UWB 脈沖的一個(gè)示例。

第二種方法更有效地利用頻譜并提供更好的性能和數(shù)據(jù)吞吐量，但代價(jià)是增加了復(fù)雜性（即需要信號處理）和功耗。

兩種方法之間的選擇取決于應(yīng)用程序。