一文吃透 UWB：从原理到应用，看超宽带技术如何颠覆生活与产业
一文吃透 UWB：从原理到应用，看超宽带技术如何颠覆生活与产业
在无线通信技术的璀璨星空中，UWB（Ultra-Wide Band，超宽带）正以其独特的光芒吸引着众人的目光。UWB 无线通信，作为一种利用超宽带频率带宽的无线通信方式，近年来已悄然走进民用设备领域，如智能手机防丢失、高阶汽车智能钥匙等，其高精度定位的显著特征，更是为人们的生活带来了诸多便利。展望未来，UWB技术有望在更多领域绽放光彩，成为推动科技发展的重要力量。
UWB 无线通信技术凭借其一系列独特优势，在众多无线通信技术中脱颖而出。以 IEEE802.15.4z 这一代表性标准为例，其采用 Impulse Radio 方式，利用持续时间短的脉冲信号，具备高精度测距和定位、安全性高、对其他通信干扰弱以及低功耗等特性。在 UWB 无线通信中，宽度约 2ns 的脉冲被用作数据传输，这种短脉冲能够实现高分辨率的测距和定位。从时域和频域的关系来看，时域中脉冲宽度小意味着在频域中功率谱占据很宽的频带。与传统通信方式相比，UWB 无线通信的频率带宽更宽，且其传输功率峰值低于其他通信方式，甚至低于 FCC 规定的无线电波辐射数字设备的噪声水平规定值。这使得 UWB 无线通信不仅对其他通信干扰较弱，还因其通信特性不易被第三方察觉，从而具备较高的安全性，同时还能实现低功耗通信。
回顾 UWB 技术的发展历程，它起源于 20 世纪 60 年代的美国，最初主要作为军用雷达技术进行研究，一度被视为军事机密。直到 1998 年左右，美国 FCC 开始考虑将其民用化，并于 2002 年批准。此后，UWB 芯片套件等相关研究不断推进。2019 年，随着配备 UWB 模块的智能手机问世，UWB 技术才逐渐为公众所熟知，在其他国家的使用许可也相继取得进展。在频率带宽规定方面，FCC 分配的 UWB 无线电频率带宽在 3.1GHz - 10.6GHz 之间，共 7.5GHz，而欧盟、欧亚大陆、东亚、大洋洲等国家和地区的规定略有不同，主要集中在室内和室外使用 6.0GHz - 9.0GHz 左右的带宽。目前，大多数 UWB 模块遵循 IEEE 在 2007 年采用的短距离无线标准 IEEE802.15.4a 中指定 UWB 优先使用通道号 9（中心频率：7987.2MHz，频率带宽：499.2MHz）的规格。
UWB 无线通信在民用、汽车及工业领域有着广泛的用途。在民用领域，它为我们的生活带来了诸多便利。通过在物品上粘贴 UWB 标签，借助配备 UWB 模块的智能手机，就能以厘米级精度定位物品位置，有效防范物品丢失。UWB 标签功耗低，仅需纽扣电池就能维持约 1 年的使用时间。同时，UWB 技术还可用于构建安全的入退馆和入退室系统，以及免提支付和计费系统。利用其高精度测距和高安全性的特点，人们无需取出钥匙、IC 卡或手机，就能实现安全解锁和便捷支付，相关应用程序有望得到广泛普及。
在汽车领域，UWB 技术同样发挥着重要作用。汽车智能钥匙便是其典型应用之一，通过 UWB 无线通信的高精度测距和定位功能，可实现车辆在车主靠近至约 1m 以内时自动解锁，在车主距离数十厘米以内时启动发动机。此外，UWB 无线通信的低传输功率和高保密性，还能有效防范中继攻击，增强车辆安全性。随着汽车 IoT 化的发展，UWB 无线技术因其对其他通信干扰较弱的特性，在实现车载网络无线化方面具有显著优势，有望解决车载线束长度和重量带来的问题。
在工业领域，使用多个 UWB 锚点和 UWB 标签，能够构建高精度的实时定位系统（RTLS），实时掌握工厂和物流现场中部件和包裹等的位置。在 UWB 无线通信的定位方法中，具有代表性的是将 ToF（Time of Flight）测距和 AoA（Angle of Arrival）角度测量相结合。ToF 技术通过测量信号从发送到接收的时间来计算距离，根据电磁波速度与所需时间的乘积得出距离值，具有很高的时间分辨率和测量精度。UWB 测距主要有 SS-TWR 和 DS-TWR 两种手法，前者仅由一方设备测量往返时间，需设备时钟同步；后者由两台设备测量往返时间并共享结果，无需时钟同步，测量更简便且精度更高。AoA 则是通过设备接收电波的相位差来计算角度，可实现 2D 或 3D 定位。
UWB 无线通信技术凭借其独特的优势、丰富的应用场景以及不断发展的技术历史，正逐步成为现代科技领域中不可或缺的一部分。随着技术的不断进步和应用范围的扩大，UWB 有望在更多领域实现创新应用，为人们的生活和产业发展带来更多惊喜与变革。我们有理由期待，UWB 技术将在未来的科技舞台上绽放更加耀眼的光芒，引领我们走向一个更加智能、便捷的未来。