新手入门：一文读懂UWB技术
发布时间：2021-08-29 10:28:58
来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)
UWB，全称Ultra Wide-Band（超宽带），是一种颠覆传统无线通信的新型技术。对于许多新手工程师来说，UWB可能还是一个陌生的名词，但它在近距离高速数据传输和精确室内定位领域已经展现出了巨大的潜力。UWB技术的核心在于利用纳秒级的非正弦波窄脉冲来传输数据。这种传输方式使得UWB能够在极宽的频谱范围内工作，从而实现高速的数据传输。与传统的无线通信技术相比，UWB不使用正弦载波，因此其系统结构更为简单，功耗更低。
UWB系统不需要复杂的上变频和功放混频器，发射器直接通过脉冲激励天线，接收端也无需中频处理，大大降低了系统实现的复杂度。UWB技术的数据传输速率可达几百兆比特每秒以上，是实现个人通信和无线局域网的一种理想选择。它不仅能满足近距离高速数据传输的需求，还能在共享频带资源的同时，避免对其他无线技术的干扰。由于信号采用间歇的脉冲发送方式，占空比极低，因此系统功耗非常低。这使得UWB设备在电池寿命方面有着显著的优势。UWB信号将能量分散在极宽的频带范围内，使得信号检测变得困难，从而提高了通信的安全性。这种天然的安全性能使得UWB在军事通信等领域具有广泛的应用前景。
近年来，UWB技术在精确室内定位领域展现出了巨大的潜力。利用亚纳秒级超窄脉冲，UWB可以实现数厘米级的定位精度，为室内导航、智能家居、工业自动化等领域提供了全新的解决方案。UWB技术作为一种新型的无线通信技术，具有结构简单、高速数据传输、低功耗和高安全性等优势。随着技术的不断发展和应用领域的拓展，UWB将在未来无线通信领域发挥越来越重要的作用。对于新手工程师来说，了解和掌握UWB技术将是一个非常有价值的技能。
超宽带（UWB）技术以其独特的多径分辨能力，在众多无线通信技术中脱颖而出。在常规无线通信中，由于射频信号的连续性或其持续时间较长，多径传播效应往往成为通信质量和数据传输速率的瓶颈。然而，UWB技术发射的是持续时间极短、占空比极小的单周期脉冲，这使得多径信号在时间上变得可分离。这意味着，只要多径传输路径的长度不超过脉冲宽度与传播速度的乘积，多径脉冲就不会在时间上发生交叠，从而可以方便地分离出多径分量，进而充分利用发射信号的能量。
实验数据表明，对于常规无线电信号在多径环境中可能遭遇高达10~30dB的衰落，UWB信号的衰落却不到5dB。这种强大的多径分辨能力，使得UWB技术在复杂环境中也能保持稳定的通信性能。除了多径分辨能力，UWB技术还以其定位精确性而著称。冲激脉冲的高定位精度使得UWB技术能够轻松实现定位与通信的合二为一，这是常规无线电技术难以做到的。更重要的是，UWB技术具有出色的穿透能力，可以在室内和地下等GPS无法覆盖的区域进行精确定位。与GPS提供的绝对地理位置不同，UWB定位器给出的是相对位置，但其定位精度却能达到厘米级，而且价格更为亲民。在工程实现上，UWB技术也展现出了其优越性。它不需要复杂的载频调制解调电路和滤波器，只需要以数字方式产生纳秒级的非正弦波窄脉冲，并进行调制。这种简单的实现方式使得UWB收发信机的体积更小、功耗更低，同时也更容易实现数字化和软件无线电技术。
UWB的应用主要集中在三大核心场景：出入管理、位置服务和设备间交流。这些场景涵盖了智能家居、智能办公、智慧城市、智慧交通、消费电子、新零售、消费以及医疗等多个领域，充分展现了UWB技术的广泛适用性。在出入管理方面，UWB技术实现了无障碍的门禁管理。通过感应人物靠近门禁时的动作，系统能够自动识别并完成解锁过程，极大地提升了出入的便捷性。相比传统的指纹、密码等需要互动接触的方式，UWB技术无疑为用户带来了更加高效和安全的体验。位置服务则是UWB技术的另一大应用领域。利用UWB在多重路径下高穿透力的稳定传输性能，我们可以实现室内精准定位和大数据分析。这不仅有助于提升用户体验，还能够为商家提供更加精准的市场分析和决策支持。此外，设备间的互联互通也是UWB技术的重要应用之一。在视频电话会议、自动驾驶V2X、AR/VR游戏、远程支付等场景中，UWB技术能够实现设备之间的数据互联互通，为用户提供更加丰富和便捷的交互体验。
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近年来，零差接收器因其性能优势在国内外受到广泛关注和研究。国外起步早，注重基础理论和算法创新；国内发展迅猛，注重技术应用和产业化。双方均面临抗干扰、功耗、成本等挑战。零差接收器在光纤通信、微波毫米波通信及雷达卫星通信中发挥关键作用，确保数据准确传输和高速数据传输的可靠性。
在本节中，我们来简要介绍一下UWB的系统组件，以及硬件和软件选择如何影响系统的性能。
在移动通信网的规划阶段和网络优化期间，最重要的传播问题是路径损耗，它代表大尺度传播特性，具有幂定律的传播特征。路径损耗是移动通信系统规划设计的一个重要依据，对蜂窝设计中的覆盖范围、信噪比、远近效应都有影响。
在电子通信系统中，相位噪声是一个重要的性能指标，它直接影响了系统的稳定性和通信质量。相位噪声通常是由振荡器、放大器等电子器件的非线性特性和热噪声等因素引起的。
超宽带（Ultra-Wideband，UWB）技术，作为一种新兴的无线通信技术，近年来受到了广泛关注。它以极高的数据传输速率、低功耗和强抗干扰能力等特点，为无线通信领域带来了新的可能性。
