什么是 UWB？

大家好，这里是射频学堂。

我们做射频设计的最怕什么呢？最怕宽带，尤其是超宽带。因为我们的射频基本上都是和波长相关的，尤其是在阻抗匹配上，都是在比较窄的频带内玩的。一旦遇到宽带，头就大了，尤其是看到超宽带。

今天我们一起来直面超宽带 UWB。

什么是超宽带

超宽带 UWB 是一种无线通信技术，和我们之前讲到过的蓝牙 BLE，Wifi 一样，是一种近距离通信技术。

为什么叫超宽带呢？这里有两个主要原因，第一是因为它的可用频谱带宽确实太宽了，FCC 分配给它的频带从 3.1GHz 到 10.6GHz，总共 7.5GHz 的可用频谱带宽，相对带宽超过 100%。第二是它的载波带宽也比较宽，达到了 500MHz。

无论它的 OBW 还是 CBW，都达到了超级宽的水平，所以叫做超宽带 UWB 也确实是实至名归。

也是基于此，在 1989 年的时候，这种无线通信技术被美国国防部命名为“UWB”。美国国防部管的可真宽，无线通信技术都需要国防部来题名，这也反映了我们通信发展的基本事实，军事应用要先于民用，相控阵雷达的 MIMO 数要甩 5G Massive-MIMO 好几条街。

采自网络搜索的两张天线对比图。

超宽带 UWB 有什么好处呢？

超宽带是很多通信人的梦想，因为频率带宽意味着信道容量，频带越宽，无线通信的容量就越大。这是信息论大神香农给我们留下的珍贵财富 —— 香农定理。在给定信噪比情况下，信道容量 C 和带宽 B 成正比（下图中最上面的公式就是香农定理）。

所以呢，UWB 的第一个优点就是超级牛逼的信道容量。

同样的，根据香农定理的公式，我们可以得到 UWB 的第二个好处，在一定的信道容量下，超宽带 UWB 可以接受比较差的信噪比 SNR。

另外，在相同载波功率情况下，带宽越宽，功率谱密度也就越低。基于第一个优点，FCC 索性就给超宽带 UWB 通信限定了一个很低的 EIRP 要求，小于-41.3dBM / MHz。

-41.3dBm 是一个什么样的功率量级呢，我们换算成毫瓦的格式大概是 0.0000741310241 mW，这么小的功率对人体健康的影响简直可以忽略不记，对比我们的手机动辄 0.1W-2W 的辐射功率来说，简直不要太环保啊。

辐射功率低，也就意味着 UWB 的功耗极小，如果手机也到这个水平，那就再也不用担心给手机充电了。可惜这种低功率通信，也就只能用在近距离无线通信上，一般通信距离小于 10 米。

所以在通信领域，十全十美的技术可能真的没有。下表是 UWB 和 Wifi，BLE，zigbee 等短距离无线通信技术的一些参数对比，合适的技术需要用在合适的场景才完美。

这么小的功率量级还有一个好处就是对其他通信系统的干扰也很小，所以可以和很多大功率通信技术共存，比如现在的 5G NR 在 3.5GHz 左右有多个比较重要的频段，还有 wifi 的 5.8GHz。当然安全起见，FCC 也规定了全频谱的干扰功率等级，如下图所示，分为室内和室外，仅在低于 960MHz 和 3.1GHz 到 10.6GHz 的频率范围内要求低于-41.3dBm / MHz，其他频段有更严格的功率要求。

这样，困扰我很多年的问题终于解决了，凭什么 UWB 能占用这么宽的频谱资源？就凭人家功率低啊。

功率低就可以随心所欲了吗？No！UWB 还有一个重要的技术，就是脉冲调制。我们在介绍信号调制的时候（链接），讲到我们都喜欢用正弦波作为载波对信号进行调制。但是 UWB 信号是用一个具有很陡的上升和下降的冲激脉冲进行直接调制，使得信号具有比较宽的频谱特征。

下图给出了 FM 调制和脉冲调制的对比，正是这个脉冲调制使得 UWB 信号能够工作在一个较宽的频带内。其实在早期，UWB 技术的名字就叫作脉冲无线电 Impulse Radio，1989 年才拥有了现在的名字。

UWB 的脉冲陡而窄，看起来像尖峰一样，即使是在嘈杂的通道环境中，也很容易识别。脉冲调制具有很强的抗多径干扰能力，通过多个路径到达接收器的无线电信号在 IR-UWB 系统里很容易与主信号区分开来。

并且脉冲的宽度很窄，为纳秒级，这就决定了超宽带技术超高的精度。

因此超宽带 UWB 技术具有传输速率高，抗干扰能力强，辐射小功耗低，精度高等优点。

超宽带 UWB 的应用

超宽带技术自上世纪 60 年代被提出以后，在军事领域就得到了广泛的应用，比如：UWB 雷达，UWB L PI/ D 无线内通系统 (预警机、舰船等)，战术手持和网络的 PL I/ D 电台，警戒雷达，UAV / UGV 数据链，探测地雷，检测地下埋藏的军事目标或以叶簇伪装的物体无线通信系统方面

在民用领域，真正进入到我们的视野是苹果公司在 iphone11 上推出的空间感知能力 Spatial Awareness。利用 UWB 技术的超高精度定位能力，提高了手机的定位精度，并且能够感知周围手机的准确位置。

紧接着，小米也推出了具备 UWB 技术的手机 ——“一指连”，基于这项“一指连”技术，手机和智能设备将具备空间感知能力，犹如“室内 GPS”。当手机指向智能设备，控制卡片就能自动弹出，能够直接进行操控。

参考文献：

• https://www.slideserve.com/naoko/sdr-and-uwb-powerpoint-ppt-presentation

• https://www.pocket-lint.com/gadgets/news/156470-what-is-ultra-wideband-and-what-does-uwb-do/

• https://www.zdnet.com/article/uwb-what-it-is-and-why-you-really-need-an-iphone-to-use-it/

• https://rf.eefocus.com/article/id-332470

• https://mp.ofweek.com/im/a945693321526

• http://www.uposition.com/nd.jsp?id=18#fai_12_top

• https://zhuanlan.zhihu.com/p/382229067

• https://www.sohu.com/a/341650119_609238

• https://zhuanlan.zhihu.com/p/112786168

• https://baike.baidu.com/item/%E8%B6%85%E5%AE%BD%E5%B8%A6/5934698

本文来自微信公众号：射频学堂 （ID：RF_Center），作者：RF 小木匠

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