超宽带(Ultra Wide Band，UWB)技术是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。以下是关于超宽带UWB的详细介绍：
一、 超宽带UWB基本原理
发射信号：UWB实质上是以占空比很低的冲击脉冲作为信息载体的无载波扩谱技术，它是通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制。典型的UWB直接发射冲击脉冲串，不再具有传统的中频和射频的概念，此时发射的信号既可看成基带信号(依常规无线电而言)，也可看成射频信号(从发射信号的频谱分量考虑)。冲击脉冲通常采用单周期高斯脉冲，一个信息比特可映射为数百个这样的脉冲。单周期脉冲的宽度在纳秒级，具有很宽的频谱。
接收信号：在接收端，UWB天线接收的信号经低噪声放大器放大后，送到相关器的一个输入端，相关器的另一个输入端加入一个本地产生的与发端同步的经用户伪随机码调制的脉冲序列，接收端信号与本地同步的伪随机码调制的脉冲序列一起经过相关器中的相乘、积分和取样保持运算，产生一个对用户地址信息经过分离的信号，其中仅含用户传输信息以及其他干扰，然后对该信号进行解调运算。
二、 主要特点
系统结构简单：UWB系统中的发射器直接用脉冲小型激励天线，不需要传统收发器所需要的上变频，从而不需要功用放大器与混频器，允许采用非常低廉的宽带发射器。同时在接收端，UWB系统的接收机也有别于传统的接收机，它不需要中频处理，因此，UWB系统结构的实现比较简单。
数据传输高速：民用商品中，一般要求UWB信号的传输范围为10m以内，根据经过修改的信道容量公式，民用商品数据传输速率可达500Mbit/s，UWB技术是实现个人通信和无线局域网的一种理想调制技术。UWB技术以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输，并且不单独占用已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。在军事应用中，UWB技术可以利用巨大的扩频增益来实现远距离、低截获率、低检测率、高安全性和高速的数据传输。
功耗低：UWB系统使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.20~1.5ns之间，有很低的占空比，系统耗电很低，在高速通信时系统的耗电量仅为几百微瓦至几十毫瓦。民用UWB设备的功率一般是传统移动电话所需功率的1/100左右，是蓝牙设备所需功率的1/20左右。军用的UWB电台耗电也很低。因此，UWB设备在电池寿命和电磁辐射上，与传统无线通信设备相比，有着很大的优势。
安全性高：作为通信系统的物理层技术，UWB技术具有天然的安全性能。由于UWB信号一般把信号能量弥散在极宽的频带范围内，对于一般通信系统来说，UWB信号相当于白噪声信号，并且在大多数情况下，UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声的功率谱密度，从电子噪声中将脉冲信号检测出来是一件非常困难的事。采用编码对脉冲参数进行伪随机化后，脉冲的检测将更加困难。
多径分辨能力强：由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号或其持续时间远大于多径传播时间，多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率，由于超宽带无线电发射的是持续时间极短且占空比极小的单周期脉冲，多径信号在时间上是可分离的。假如多径脉冲要在时间上发生交叠，其多径传输路径长度应小于脉冲宽度与传播速度的乘积。由于脉冲多径信号在时间上不重叠，很容易分离出多径分量以充分利用发射信号的能量。大量的实验表明，对常规无线电信号多径衰落深达10~30dB的多径环境，对超宽带无线电信号的衰落最多不到5dB。
定位精确：冲激脉冲具有很高的定位精度。采用UWB技术，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。UWB技术具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS(全球定位系统)只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内。与GPS提供绝对地理位置不同，超宽带无线电定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级，此外，超宽带无线电定位器在价格上更为便宜。
工程简单造价便宜：在工程实现上，UWB技术比其他无线技术要简单得多，可全数字化实现。它只需要以一种数学方式产生脉冲，并对脉冲进行调制，而实现上述过程所需的电路都可以被集成到一个芯片上，设备的成本很低。UWB系统发射和接收的是纳秒级的非正弦波窄脉冲，不需要采用正弦载波而直接进行调制，接收机利用相关器件能直接完成信号检测，这样，收发信机不需要复杂的载频调制解调电路和滤被器，只需要一种数字方式来产生纳秒级的非正弦波窄脉冲。因此，采用UWB技术可以大大降低系统的复杂度，减小收发信机的体积，降低收发信机的功耗，易于数字化和采用软件无线电技术。
三、 技术指标
- 频率范围：3.1GHz~10.6GHz。
- 系统功耗：1mW~4mW。
- 脉冲宽度：0.2ns~1.5ns。
- 重复周期：25ns~1ms。
- 发射功率：< -41.3 dBm/MHz。
- 数据速率：几十到几百Mb/s。
- 分解多路径时延：≤1ns。
- 多径衰落：≤5dB。
- 系统容量：大大高于3G系统。
- 空间容量：1000kb/m2.
四、 应用领域
消费电子领域：苹果、三星、小米等品牌已在部分产品中应用了UWB技术。例如，苹果的iPhone手机之间可实现快速文件共享，靠近HomePod mini智能音箱即可播放音乐、获得个性化聆听建议，与AirTag绑定后能实现室内精准定位、追踪物品;三星在Galaxy Note 20 Ultra、Galaxy Z Fold 2、S21+和S21 Ultra等手机以及SmartTag+智能追踪器中导入了UWB方案;小米推出了“一指连”UWB连接技术，可与各类智能家居产品联动，实现对智能电视、智能门锁等设备的便捷操控。
工业领域：UWB是RTLS(Real Time Location Systems)实时定位系统的重要组成部分，主要利用其定位精度高、短距离通信传输速度快、能够快速响应等特点，应用于工业制造(跟踪人员、车辆和设备等)、位置跟踪(特殊建筑物如监狱等特殊场所中的人员/设备/文件定位)、仓储物流(图书馆、电商行业等)、无线测量、智能驾驶(车辆自动出入库)，以及增强现实、竞技体育等领域。
其他领域：UWB还可应用于个域网、智能交通系统、无线传感网、射频标识、成像应用等。在个域网中，UWB能在限定范围内以较高的数据速率、较低的功率传输信息，适合家庭和办公室内设备间的无线数据传输;在智能交通应用中，可制造防碰和防障碍物的雷达，以及建立智能交通管理系统;在传感器联网方面，其低成本、低功耗的特点使其适用于无线传感网;在成像应用中，UWB的穿透能力可用于制造穿墙雷达、穿地雷达，以及用于避免使用X射线的医学系统等。
五、 UWB技术如何与其他通信技术相结合
UWB技术与其他通信技术的结合主要有以下几种方式：
1. 与Wi-Fi结合
定位与通信融合：在一些大型场所，如商场、机场等，Wi-Fi网络已经广泛覆盖用于提供无线通信服务。UWB技术可以借助Wi-Fi网络的基础设施，实现更精准的室内定位。例如，通过在Wi-Fi接入点上集成UWB定位功能，利用UWB的高精度定位能力来弥补Wi-Fi定位精度的不足，从而实现对人员、设备等更精确的定位和导航。
数据传输协同：当需要传输大量数据时，可以利用Wi-Fi的高传输速率，而在一些对定位精度要求较高的场景，如智能仓储中对货物的精准定位、医院内对医疗设备的实时定位等，UWB的高精度定位优势得以发挥，两者结合可满足不同应用场景的需求。
2. 与蓝牙结合
定位功能增强：蓝牙技术常用于短距离设备连接和数据传输，在一些小型场景下应用较多。结合UWB技术后，可以提高定位的精度和可靠性。比如在智能家居环境中，通过蓝牙连接智能设备，同时利用UWB技术对设备进行精准定位，实现更智能化的控制和管理。
低功耗优势互补：蓝牙和UWB都具有低功耗的特点，在物联网设备中应用广泛。两者结合可以更好地满足物联网应用对低功耗和精准定位的需求，延长设备的电池寿命，适用于各种需要长时间运行的物联网场景。
3. 与GPS结合
室内外定位衔接：GPS在室外定位方面具有广泛的应用和较高的精度，但在室内环境下信号受到遮挡，定位效果不佳。UWB技术则擅长室内定位，通过将UWB与GPS结合，可以实现室内外定位的无缝衔接。例如，在一些大型建筑内，当用户从室外进入室内时，GPS信号逐渐减弱，UWB系统可以自动接管定位，确保定位的连续性和准确性。
定位精度提升：GPS的定位精度一般在数米至数十米之间，而UWB在特定条件下可实现厘米级定位。结合两者的优势，可以在一些对定位精度要求较高的场景，如智能交通系统中的车辆定位、物流配送中的货物定位等，提供更精确的定位服务。
4. 与RFID结合
定位与识别融合：RFID技术主要用于物体的识别和定位，但其定位精度相对较低。结合UWB技术后，可以提高定位的精度和准确性，实现对物体更精准的定位和管理。比如在物流仓储中，通过RFID标签对货物进行识别，同时利用UWB技术对货物进行精准定位，提高仓储管理的效率和准确性。
数据传输补充：RFID技术的数据传输速率相对较低，而UWB技术具有较高的数据传输速率。两者结合可以在保证定位精度的同时，实现更快速的数据传输，满足一些对数据传输速率要求较高的应用场景。
5. 与Zigbee结合
低功耗定位与通信：Zigbee技术是一种低功耗、低速率的无线通信技术，常用于物联网中的设备连接和数据传输。结合UWB技术后，可以在保持低功耗的前提下，实现更精准的定位和通信。比如在智能家居、智能农业等场景中，通过Zigbee连接各种传感器和设备，同时利用UWB技术对设备进行精准定位，实现更智能化的控制和管理。
网络覆盖扩展：Zigbee网络具有自组织、多跳的特点，可以实现较大范围的网络覆盖。结合UWB技术后，可以在Zigbee网络的基础上，实现更精准的定位和通信，扩展网络的应用范围和功能。
六、 UWB技术与Lora技术的结合
UWB(超宽带)技术与LoRa(远距离无线电)技术的结合主要有以下几种方式：
1. 定位与通信融合
单基站定位系统：一些基于UWB和LoRa的单基站无线定位系统，通过将UWB高精度无线定位技术和LoRa长远距离无线数据传输技术相融合，采用AoA/PDoA或AoA/ToF算法，实现了单一基站无线定位待测目标。例如在一些大型建筑内，当用户从室外进入室内时，GPS信号逐渐减弱，UWB系统可以自动接管定位，确保定位的连续性和准确性。
室内外定位衔接：GPS在室外定位方面具有广泛的应用和较高的精度，但在室内环境下信号受到遮挡，定位效果不佳。UWB技术则擅长室内定位，通过将UWB与GPS结合，可以实现室内外定位的无缝衔接。
2. 数据传输协同
物联网应用：在物联网场景中，UWB可用于短距离、高精度的数据传输和定位，而LoRa则可用于长距离、低功耗的数据传输。两者结合，可以满足物联网应用对不同距离和功耗的需求，实现更广泛的物联网覆盖和数据传输。
无线传感网：UWB和LoRa都具有低功耗的特点，在无线传感网中应用广泛。两者结合可以更好地满足物联网应用对低功耗和精准定位的需求，延长设备的电池寿命，适用于各种需要长时间运行的物联网场景。
3. 系统优势互补
降低成本：UWB定位系统通常需要多个基站来实现精准定位，而LoRa的远距离传输能力可以减少基站的数量，从而降低系统的建设成本和维护成本。
提高灵活性：LoRa的自组网能力和UWB的高精度定位能力相结合，使得系统在不同的应用场景下具有更高的灵活性和适应性。例如，在一些复杂的室内环境中，可以根据实际需求灵活部署UWB基站和LoRa网关，实现最佳的定位和通信效果。
增强稳定性：LoRa的远距离传输和抗干扰能力可以增强系统的稳定性和可靠性，使得UWB定位系统在复杂的环境下也能保持较好的性能。
