什麼是超寬頻
超寬頻UWB是一種無線通訊技術，和我們之前講到過的藍牙BLE，Wifi 一樣，是一種近距離通訊技術。
為什麼叫超寬頻呢？這裡有兩個主要原因，第一是因為它的可用頻譜頻寬確實太寬了，FCC分配給它的頻帶從3.1GHz到10.6GHz，總共7.5GHz 的可用頻譜頻寬，相對頻寬超過100%。第二是它的載波頻寬也比較寬，達到了500MHz。
無論它的OBW還是CBW，都達到了超級寬的水平，所以叫做超寬頻UWB也確實是實至名歸。
也是基於此，在1989年的時候，這種無線通訊技術被美國國防部命名為「UWB」。美國國防部管的可真寬，無線通訊技術都需要國防部來題名，這也反映了我們通訊發展的基本事實，軍事應用要先於民用，相控陣雷達的MIMO數要甩5G Massive-MIMO好幾條街。
採自網路搜尋的兩張天線對比圖。
超寬頻UWB 有什麼好處呢？
超寬頻是很多通訊人的夢想，因為頻率頻寬意味著頻道容量，頻帶越寬，無線通訊的容量就越大。這是資訊論大神夏農給我們留下的珍貴財富——夏農定理。在給定訊雜比情況下，頻道容量C和頻寬B成正比（下圖中最上面的公式就是夏農定理）。
所以呢，UWB的第一個優點就是超級牛逼的頻道容量。
同樣的，根據夏農定理的公式，我們可以得到UWB的第二個好處，在一定的頻道容量下，超寬頻UWB可以接受比較差的訊雜比SNR。
另外，在相同載波功率情況下，頻寬越寬，功率譜密度也就越低。基於第一個優點，FCC索性就給超寬頻UWB通訊限定了一個很低的EIRP要求，小於-41.3dBM/MHz。
-41.3dBm是一個什麼樣的功率量級呢，我們換算成毫瓦的格式大概是0.0000741310241 mW，這麼小的功率對人體健康的影響簡直可以忽略不記，對比我們的手機動輒 0.1W-2W 的輻射功率來說，簡直不要太環保啊。
輻射功率低，也就意味著UWB的功耗極小，如果手機也到這個水平，那就再也不用擔心給手機充電了。可惜這種低功率通訊，也就只能用在近距離無線通訊上，一般通訊距離小於10米。
所以在通訊領域，十全十美的技術可能真的沒有。下表是UWB和Wifi， BLE，zigbee等短距離無線通訊技術的一些參數對比，合適的技術需要用在合適的場景才完美。
這麼小的功率量級還有一個好處就是對其他通訊系統的干擾也很小，所以可以和很多大功率通訊技術共存，比如現在的5G NR 在3.5GHz 左右有多個比較重要的頻段，還有wifi 的5.8GHz。
當然安全起見， FCC也規定了全頻譜的干擾功率等級，如下圖所示，分為室內和室外，僅在低於960MHz 和 3.1GHz到10.6GHz的頻率範圍內要求低於-41.3dBm/MHz，其他頻段有更嚴格的功率要求。
這樣，困擾我很多年的問題終於解決了，憑什麼UWB能佔用這麼寬的頻譜資源？就憑人家功率低啊。
功率低就可以隨心所欲了嗎？No！UWB還有一個重要的技術，就是脈衝調製。我們在介紹信號調製的時候，講到我們都喜歡用正弦波作為載波對信號進行調製。但是UWB信號是用一個具有很陡的上升和下降的衝激脈衝進行直接調製，使得信號具有比較寬的頻譜特徵。
下圖給出了FM調製和脈衝調製的對比，正是這個脈衝調製使得UWB信號能夠工作在一個較寬的頻帶內。其實在早期，UWB技術的名字就叫作脈衝無線電 Impulse Radio，1989年才擁有了現在的名字。
UWB的脈衝陡而窄，看起來像尖峰一樣，即使是在嘈雜的通道環境中，也很容易識別。脈衝調製具有很強的抗多徑干擾能力，通過多個路徑到達接收器的無線電信號在IR-UWB系統裡很容易與主信號區分開來。
並且脈衝的寬度很窄，為納秒級，這就決定了超寬頻技術超高的精度。
因此超寬頻UWB技術具有傳輸速率高，抗干擾能力強，輻射小功耗低，精度高等優點。
超寬頻UWB的應用
超寬頻技術自上世紀60年代被提出以後，在軍事領域就得到了廣泛的應用，比如：UWB 雷達，UWB L PI/ D 無線內通系統(預警機、艦船等)，戰術手持和網路的PL I/ D 電臺，警戒雷達，UAV/UGV 資料鏈，探測地雷，檢測地下埋藏的軍事目標或以葉簇偽裝的物體無線通訊系統方面
在民用領域，真正進入到我們的視野是蘋果公司在iphone11上推出的空間感知能力Spatial Awareness。利用UWB技術的超高精度定位能力，提高了手機的定位精度，並且能夠感知周圍手機的準確位置。
緊接著，小米也推出了具備UWB技術的手機——「一指連」，基於這項「一指連」技術，手機和智慧設備將具備空間感知能力，猶如「室內GPS」。當手機指向智慧設備，控制卡片就能自動彈出，能夠直接進行操控。
末了，推薦一本介紹超寬頻的書，需要的同學可以點選下面名片購買。
參考文獻：
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
