概述

在物聯(lián)網(wǎng)定位與數(shù)據(jù)傳輸場景中，DW1000 作為遵循 IEEE802.15.4-2011 UWB 標(biāo)準(zhǔn)的芯片，其核心數(shù)據(jù)傳輸載體是 “幀”。它像一個精密的 “快遞包裹”，通過三層結(jié)構(gòu)（同步頭、PHY 頭、PHY 服務(wù)數(shù)據(jù)單元）實現(xiàn) “精準(zhǔn)同步、清晰解析、安全傳輸”，既支持 10cm 精度的測距功能，又能穩(wěn)定傳遞業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。下面從結(jié)構(gòu)、計算、流程三方面，完整拆解 DW1000 幀的設(shè)計邏輯。

DW1000 的幀全稱是PHY 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU），整體遵循 “同步→說明→數(shù)據(jù)” 的遞進邏輯，每層功能獨立且環(huán)環(huán)相扣。其核心參數(shù)如下表所示

一、第一層：同步頭（SHR）：讓接收端 “找到信號”

同步頭是幀的 “外層標(biāo)識”，作用是讓接收端從復(fù)雜的無線環(huán)境中，快速識別 “這是一個有效 UWB 幀”，并校準(zhǔn)自身時鐘與發(fā)送端同步，就像快遞盒上的 “快遞品牌 logo”，一眼就能認(rèn)出來。它包含兩部分：

1.1. 前導(dǎo)碼（Preamble）：幀的 “引導(dǎo)員”與“時鐘校準(zhǔn)器”

前導(dǎo)碼是一串重復(fù)的符號序列，核心作用是時鐘同步和干擾過濾。接收端通過前導(dǎo)碼調(diào)整自身時鐘頻率，接收端只接收匹配 UWB 前導(dǎo)碼規(guī)則的信號，避免誤接收藍牙、Wi-Fi 等其他無線信號。

前導(dǎo)碼長度是可配置的，常見 128、256、1024、2048 個 “符號”（類似快遞面單上的 “條形碼長度”）。長度越長，同步越穩(wěn)定、抗干擾越強，但傳輸速度越慢，比如 110kbps 低速率下用 2048 符號，適合遠距離傳輸；6.8Mbps 高速率下用 128 符號，適合近距離快傳。

1.2. 幀起始定界符（SFD）：幀的 “開始口令”

幀起始定界符告訴接收端 “前導(dǎo)碼結(jié)束了，接下來是正文”，相當(dāng)于快遞面單上的 “拆封線”，明確標(biāo)識 “從這開始是包裹內(nèi)容”。

SFD可配置為8個符號（適配 850kbps/6.8Mbps 速率）或者64個符號（適配 110kbps 低速場景），是 “同步到數(shù)據(jù)” 的關(guān)鍵過渡。

1.3. 同步頭傳輸時間計算

同步頭的組成為若干個符號組成（前導(dǎo)碼符號數(shù) + 幀起始定界符符號數(shù)），而一個符號的傳輸時間與數(shù)據(jù)速率和 PRF（脈沖重復(fù)頻率）配置有關(guān)，DW1000的data sheet會給不同數(shù)據(jù)速率和 PRF（脈沖重復(fù)頻率）下的符號時長信息（見下文4.1）。

SHR 發(fā)送時間 = (前導(dǎo)碼符號數(shù) + SFD符號數(shù)) × T_SHR_symbol (即同步頭 SHR 的符號時長)；

二、 第二層：PHY 頭（PHR）： 告訴接收端 “怎么解析數(shù)據(jù)”

PHY 頭是幀的 “說明書”，用 21 個符號（固定長度）告訴接收端：“這幀數(shù)據(jù)怎么讀？多長？”，就像快遞面單上的 “包裹類型（易碎 / 普通）、重量”，讓快遞員知道怎么處理。

它的核心信息包括：

• 數(shù)據(jù)速率：比如 110kbps、850kbps、6.8Mbps—— 接收端要按對應(yīng)速率解碼，不然會 “讀錯”。
• 幀長度：指后續(xù) “數(shù)據(jù)部分” 的字節(jié)數(shù) —— 接收端知道要接收多少字節(jié)，避免 “少收” 或 “多收”。

PHR發(fā)送時間 = 21 × T_PHR_symbol（即PHY 頭的符號時長）；

三、第三層：PHY 服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PSDU）： 實際要傳的 “貨物”

這是幀的 “核心內(nèi)容”，包含兩部分：實際數(shù)據(jù)和校驗信息，就像快遞里的 “物品 + 質(zhì)檢單”。

3.1. MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元（MPDU）： 實際數(shù)據(jù)本體

存放要傳遞的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，比如傳感器采集的溫度、設(shè)備的位置信息等。可配置為標(biāo)準(zhǔn)長度或者擴展長度

• 標(biāo)準(zhǔn)長度：最多 127 字節(jié)（含后續(xù) FCS），適合常規(guī)數(shù)據(jù)傳輸；
• 擴展模式：DW1000 支持 “專有長幀模式”，最多能傳 1023 字節(jié)（需特殊配置，適合大數(shù)據(jù)量場景）。

3.2. 幀檢驗序列（FCS）：數(shù)據(jù)的 “質(zhì)檢單”

用于校驗數(shù)據(jù)在傳輸中是否損壞，發(fā)送端會根據(jù)數(shù)據(jù)計算出 2 字節(jié)的 “校驗碼”（FCS），接收端收到數(shù)據(jù)后重新計算，若和 FCS 一致，說明數(shù)據(jù)完好；不一致則丟棄。DW1000 會自動生成 FCS（發(fā)送時）和校驗 FCS（接收時），不用手動寫代碼計算。

3.3. PSDU發(fā)送時間計算

PSDU（包含 MPDU+FCS）采用BPM-BPSK 調(diào)制方式，且數(shù)據(jù)部分（不含前導(dǎo)碼、SFD、PHR）的符號傳輸遵循 “1 個符號承載 1 位數(shù)據(jù)” 的規(guī)則，則PSDU發(fā)送符號個數(shù) = （數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù) + 2） × 8；

PSDU發(fā)送時間 = （數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù) + 2） × 8 × T_PSDU_symbol；

四、其他

4.1 幀發(fā)送時間計算整體示例

若你的配置如下：

• PRF：16MHz；
• 數(shù)據(jù)速率：110kbps（0.11Mbps）；
• 前導(dǎo)碼長度：1024 符號；
• MPDU 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)：12 字節(jié)（標(biāo)準(zhǔn)短數(shù)據(jù)）；
• FCS：2 字節(jié)（默認(rèn)添加）；

結(jié)合DW1000的data sheet中的符號時間表，如下所示：

SHR 發(fā)送時間 = （1024 + 8）× 993.58 ns ≈ 1025.4 μs，其中在16MHz PRF下，SFD符號數(shù)選擇8；

PHR 發(fā)送時間 = 21× 8205.13 ns ≈ 172.3 μs；

PSDU發(fā)送時間 = （14 + 2） × 8 × 8205.13 ns 919.1 μs；

總發(fā)送時間 = 1025.4μs + 172.3μs + 919.1μs ≈ 2116.8μs ≈ 2.12 ms；

4.2 發(fā)送過程簡述

發(fā)送端按以下順序打包幀，接收端按逆序解析：

發(fā)送端打包：

寫入 MPDU 數(shù)據(jù) → 自動添加 FCS → 生成 PHY 頭（含速率 / 長度） → 添加 SHR（前導(dǎo)碼 + SFD） → 射頻發(fā)送；

接收端解析：

接收 SHR（同步時鐘） → 解析 PHY 頭（獲取速率 / 長度） → 接收 PSDU → 校驗 FCS → 輸出 MPDU 數(shù)據(jù)。

4.3 關(guān)鍵設(shè)計注意事項

前導(dǎo)碼長度選擇：遠距離場景選長前導(dǎo)碼（如 2048 符號），近距離高速場景選短前導(dǎo)碼（如 128 符號），平衡同步穩(wěn)定性與傳輸效率；

長幀模式配置：需通過PHR_MODE寄存器啟用（參考 DW1000 用戶手冊），且收發(fā)兩端必須同時開啟，否則無法通信；

FCS 功能：默認(rèn)自動啟用，若需自定義校驗（如特殊協(xié)議），可通過SFCST控制位關(guān)閉自動 FCS 生成。

總結(jié)

本文詳細解析了 DW1000 芯片幀的組成，包括同步頭（SHR）、PHY 頭（PHR）和 PHY 服務(wù)數(shù)據(jù)單元（PSDU）。通過理解這些組成部分及其功能，可以更好地設(shè)計和優(yōu)化基于 DW1000 的物聯(lián)網(wǎng)定位與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。關(guān)鍵設(shè)計注意事項包括前導(dǎo)碼長度的選擇、長幀模式的配置以及 FCS 功能的使用。