超寬頻(Ultra-wideband，簡稱UWB) 是一種短距離的無線傳輸技術，90 年代初期，由美國國防先進研究計劃署(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA) 開發並將其應用在軍事用途。西元2002 年，美國聯邦通訊委員會(Federal Communications Commission，FCC) 正式核准UWB 可用於民間之通訊產品，具備大於500MHz 的-10dB 頻寬或分頻頻寬( 絕對頻寬/ 中心頻率) 大於20% 以上之通訊系統，稱之為UWB。
其室內的功率與頻帶使用規範如圖1。
國際電機電子工程協會(Institute of Electrical and Electronic Engineers，IEEE) 在2003 年發布了初版的IEEE 802.15.3a 標準，UWB 的最高速度可達480Mbps， 展現了其超大頻寬帶來的優點。但隨著WiFi 近年伴隨MIMO( 多輸入多輸出系統) 與新調變技術的導入， 傳輸速率已達Gbps 的水準，UWB 逐漸失去其在高速傳輸的舞臺。而IEEE 802.15.4a 與4z 分別在2007 與2018 年發布， 利用其脈衝訊號傳輸的物理特性， 往低速的室內定位， 以及提供高安全性與高可靠度的應用發展。
在IEEE 802.15.4a 的規範中，UWB 共有16 個使用頻道，頻道列表與頻寬如表1 所示， 在頻譜上的分布則從500MHz 到10GHz。而圖2 顯示超寬頻系統的功率頻譜密度， 在FCC 的規範下需低於-41.3dBm/MHz， 遠小於熟知的Wi-Fi、BT 等系統。
不同於熟知的無線通訊技術需靠正弦載波來傳輸資料，超寬頻通訊使用奈秒(ns) 等級的脈衝訊號來傳輸資料，傳輸每一位元(Bit) 所需的時間長度相較於傳統正弦載波通訊縮短不少，如圖3 所示，因此資料傳輸速率可獲得提升。
硬體架構介紹
傳統通訊的硬體架構中，基頻資料需靠混頻器(Mixer) 把欲傳資訊搭載至正弦載波傳送，並需要功率放大器來增加傳輸距離。UWB 使用脈衝訊號且多用於短距離通訊，因此混頻器與功率放大器這二個元件可移除，設計架構更單純，生產成本更低，意謂著無論是技術面或成本考量，UWB 的產品開發門檻不高，對於UWB 的市場發展有著極大優勢，下圖4 與圖5 可以清楚觀察出傳統窄頻系統與超寬頻系統在硬體架構上的差異。
UWB 脈衝訊號
在UWB 的硬體架構中，其核心元件為脈衝產生器(Pulse Generator)，用簡單的數位邏輯電路即可達成，如下圖6 所示。而不同的脈衝訊號在頻域上會有不同的表現，如圖7，設計者透過研發不同的脈衝訊號種類，即可滿足設計需求與FCC 之規範。
UWB 應用分析
有別於其他通訊系統，UWB 在需要高可靠度與高安全性的應用中佔有先天的優勢。用於醫療或健康監控方面，傳輸資訊需要高可靠度，不易受其他訊號幹擾造成誤判為主要考量。UWB 脈衝訊號具備優秀的抗多路徑幹擾能力，為此應用之最佳實現方法。而IEEE 802.15.4a 在實體層加強了其安全機制以及UWB 的低功率頻譜密度的特性，使其不易遭受中繼攻擊而被竊取資料，其高安全性的優點也被導入汽車工業與居家保全的應用。
而在iPhone11 導入UWB 功能後，UWB 在室內定位的優點也因此被廣泛討論， 使用TOF(Time of Flight) 的概念， 計算出待測物與節點的距離。再利用TOA(Time of Arrival)、TDOA(Time Difference of Arrival) 三點定位等技術計算待測物與各節點之距離交點， 即可達成定位的目的，如圖8 所示。
由於定位技術建構在飛行時間的基礎上，飛行時間計算的愈精準，定位準確度就愈高。UWB 有別於傳統通訊系統的窄頻載波傳輸，對於多路徑反射訊號的幹擾與雜訊造成時間的誤判，在脈衝訊號的物理特性下均可最小化，進而達到公分等級的定位精準度，由下圖9 可觀察到，窄頻通訊與超寬頻通訊在受多路徑反射訊號影響下，時間誤差有著顯著的差異。相較於傳統載波通訊系統的公尺級定位精準度，UWB 在室內定位應用中的優勢相當明顯。
UWB 具備著低功耗、低成本、高定位精準度、高安全性與高可靠度的特性，是其他通訊技術無法取代的。在物聯網快速發展的時代，可靠又安全的空間感知技術可將使用者與各裝置間作更緊密的結合，潛力無可限量，可以預見UWB 將帶給我們全新的生活型態。