2021 年 4 月以来，随着苹果 AirTag 的发布，市场上又掀起了新一轮对 UWB 技术的关注，早在 iPhone 11 发布的时候，苹果就宣布为全系手机搭载支持UWB技术的 U1 自研芯片。UWB 能给苹果手机带来新的空间感知能力，通过指向性实现隔空投送应用，展示了基于 UWB 技术的快速文件分享。下面让我们重新了解一下 UWB 技术。
UWB，就是 Ultra Wideband，超宽带技术，它源于 20 世纪 60 年代兴起的脉冲通信技术，可用于测距定位。
图 1 UWB 信号波形 图 2 通信技术频谱对比
一般的通信体制都是利用一个高频载波来调制一个窄带信号，通信信号的实际占用带宽并不高。由图 1 和图 2 可以看出 UWB 不同于传统的通信技术，它通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来实现无线传输的。由于脉冲时间宽度极短，因此可以实现频谱上的超宽带：使用的带宽在 500MHz 以上。
UWB技术在 1989 年被美国国防部确定为超宽带（UWB）技术。直至 2002 年，美国联邦通信委员会 FCC 对 UWB 无线电规定了严格限制条件：
- 频率带宽 ≥ 500MHz
- 发射功率 < -41.3dBm/MHz
- 频率范围：1GHz~10.6GHz
这才有力推进了UWB通信的发展，随之而来的便是各种技术方案围绕国际标准的制定方面展开的激烈的竞争。2007 年 3 月，ISO 正式通过了 WiMedia 联盟提交的 MB-OFDM 标准，正式成为了 UWB 技术的第一个国际标准。
每个国家都会有允许使用的 UWB 频段：
图 3 各国 UWB 频段分配
- 绿色框表示该国允许使用的UWB 频段
- UWB 中心频率：5-8G
- 对于中国来说，可以使用 Band#2、Band#3、Band#5、Band#6、Band#8、Band#9
UWB 源于 20 世纪 60 年代兴起的脉冲通信技术，在 2002 年以前，UWB 被广泛用于军事方面的用途。2002 年，FCC（美国联邦通信委员会）对 UWB 做了如前文所说的功率上的严格限制，才将 UWB 技术解禁，准许进入民用领域。目前 UWB 主要还是应用于室内定位，随着手机端的逐渐普及，UWB 发展会更加迅速。苹果、小米、三星都非常看好 UWB 技术，建立 UWB 应用生态，认为其将成为下一代可以改变游戏规则的无线通信技术之一。
图 4 iPhone 11(UWB) 图 5 三星 GalaxyNote20 系列(UWB) 图 6 小米 10 “一指连”(UWB)
2019 年，由 HID Global，恩智浦，三星，博世，索尼，LitePoint 和电信技术协会（TTA）等组建了 FiRa 联盟，国内手机厂商小米也于 2020 年 2 月加入联盟。FiRa 联盟（fine ranging）通过制定标准和认证，从而确保建立跨芯片组、设备和基础设施服务的互操作 UWB 生态系统。联盟旨在发展超宽带（UWB）生态系统，为无缝用户体验树立新标准，参与成员涵盖接入、安全连接、移动和消费设备等领域。
图 7 FiRa 联盟部分成员（未显示全部）
相比 Wi-Fi 和蓝牙定位技术，UWB 具有如下优势：
1）抗多径能力强，定位精度高：带宽决定了信号在多径环境下的距离分辨能力（成正比关系）。UWB 的带宽很宽，多径分辨能力强，能够分辨并剔除大部分多径干扰信号的影响，得到精度很高的定位结果。复杂环境下 UWB 精度甚至可以达到 Wi-Fi、蓝牙等传统系统的百倍以上。
2）时间戳精度高：超宽带脉冲信号的带宽在纳秒级，由定时来计算位置时，引入的误差通常小于几厘米。
3）电磁兼容性强：UWB 的发射功率低，信号带宽宽，能够很好地隐蔽在其它类型信号和环境噪声之中，传统的接收机无法识别和接收，必须采用与发射端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调，所以不会对其他通信业务造成干扰，同时也能够避免其他通信设备对其造成干扰。
4）能效较高：UWB 具有 500MHz 以上的射频带宽，能够提供极大的扩频增益，使得 UWB 通信系统能效较高。这意味着对于电池供电设备，系统的工作时间可以大大延长，或是同样发射功率限制下，覆盖范围比传统技术大得多。通常在短距离应用中，UWB 发射机的发射功率普遍低于 1mW；在长距离应用中，不需要额外的功率放大器即可达到 200 米的距离，同时实现 6.8Mbps 的空中速率。
图 8 UWB & BLE 测距定位对比
本期文章关于 UWB 技术的简单介绍就到这里了，下期博文中我们会重点介绍 UWB 技术的测距定位原理，还请各位读者拭目以待。
【参考资料】：
① Qorvo 半导体公众号：《UWB 到底是什么技术》
② NXP 客栈公众号：《全程干货！汽车安全访问及智能数字钥匙应用解析》
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