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。
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厉害的信道容量。
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,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。
最近几年,UWB 也开始在车上找到了新的机会。