学射频，总是搞不懂“超宽带UWB”

来源:电子工程专辑发布时间:2023-04-211352浏览

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。