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(jì)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(diǎn)是用一個具有很陡的上升沿和下降沿的沖激脈沖進(jìn)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(shí)是實(shí)至名歸。
按照FCC的定義，規(guī)定傳輸任意時刻10dB滾降點(diǎn)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(xiàng)技術(shù)才被美國國防部首次正式命名UWB（超寬帶）。
說起這項(xiàng)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?！ず掌潱℉einrich 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(shí)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，促進(jìn)了UWB系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)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(xiàng)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(yàn)。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(shí)現(xiàn)無源無鑰匙接入和發(fā)動機(jī)啟動。
而讓UWB真正進(jìn)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)幾百M(fèi)bit/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?yàn)榫哂休^強(qiáng)的時間和空間分辨率，對信道衰減不敏感，抗衰減能力強(qiáng)；
5系統(tǒng)保密性好：
因?yàn)閹挶容^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(jìn)而實(shí)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(qiáng)
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(qiáng)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(jìn)行精確測距，基于這一基本算法，還可采用其他的進(jìn)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(shí)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(jì)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(jì)、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(shí)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(yàn)；
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(shí)現(xiàn)設(shè)備控制、軌跡追蹤、區(qū)域報(bào)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(fèi)電子
UWB 技術(shù)有望在文件傳輸、智能手機(jī)/家居、新零售、體育賽事、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（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(jìn)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?？傮w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。
參考文獻(xiàn)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？
