UWB学习——day4

技术劣势

1. 干扰其它技术，UWB技术目前允许在未授权的3.1 GHz至10.6 GHz频谱上运行，但该频谱上有许多其它无线通讯所在的频带，容易互相产生干扰，反而限制了适用范围。
2. 时钟同步要求高，测距和定位需要高精度的时钟同步
3. 频谱利用率低，虽然拥有巨大的带宽，但实际上可能会浪费大部分带宽，因为UWB信号通常只占用一小部分频谱。这可能导致频谱利用效率较低。

技术细节

UWB技术主要以以下四个标准为参考，比较庞杂。

标准	主要变化
IEEE 802.15.4a	引入UWB PHY UWB的第一次标准化
IEEE 802.15.4 - 2011	主要一些编撰修改
IEEE 802.15.4 - 2015	引入LRP UWB PHY 引入HRP UWB PHY
IEEE 802.15.4z	使用 SS ‑ TWR 增强测距 引入Simultaneous Ranging 引入ciphered sequences 引入higher PRFs 启用 LRP UWB PHY测距 提升LRP和HRP的安全性

以IEEE 802.15.4 - 2011为例介绍一下。

UWB频段

UWB PHY（物理层）支持三个独立的操作频段：

• 亚千兆赫频段，由单个信道组成，占据 249.6 MHz 至 749.6 MHz 的频谱

• 低频段，由四个通道组成，占据 3.1 GHz 至 4.8 GHz 的频谱

• 高频段，由 11 个通道组成，占据 6.0 GHz 至 10.6 GHz 的频谱
  
  国标对UWB频段的最新要求（2023），侧重于使用CH6信道，并对功率进行了限制
  
  主流UWB芯片的频段信息
  
  由于2023年工信部的新意见，UWB技术在国内会主要在CH9的高频段，以此会带来以下几个问题

1. 覆盖面窄，之前国内在CH5频段深耕多年，全面换到CH9高频段后，会面临高频段覆盖面窄的问题
2. 成本上升，CH5频段国内主要使用DW1000的芯片，成本相对低，而且由于覆盖面的问题，覆盖同样的范围，所需要的芯片数量也上升
   另外由于对功率大小以及杂散发射进行了限制，这些都会带来成本的上升。

系统调制方式

UWB采用BPM-BPSK（Burst Position Modulation，Binary Phase-shift Keying），该协议调制方法结合了脉冲位置调制和二进制相移键控。

• BPM（脉冲位置调制）：
  BPM是一种脉冲调制技术，其中信息编码在脉冲的位置上。每个脉冲代表一个符号，而脉冲的时间位置（或到达时间）用来表示不同的符号或信息。
  例如，考虑一个二进制BPM系统，其中0和1分别由两个不同的脉冲位置来表示。如果脉冲在时间轴上的位置在T秒内，则可以表示为0，如果在2T秒内，则可以表示为1。
• BPSK（二进制相移键控）：
  BPSK是一种常见的数字调制技术，其中信息编码在相位上。在二进制BPSK中，两个不同的相位（通常是0度和180度）用来表示0和1。
  这意味着在BPSK中，一个符号周期内的相位变化来表示不同的二进制值。
• BPM-BPSK调制方案：
  BPM-BPSK将这两种调制技术结合在一起，以在一个符号内同时编码时间位置和相位信息。
  在BPM-BPSK中，一个符号周期内的脉冲位置表示一个二进制值（例如0或1），同时相位也可以用来表示不同的二进制值。
  这种调制方案允许一个符号携带更多的信息，因为它同时使用了时间位置和相位，从而提高了数据传输速率和频谱效率。
  这种方式特别适用于超宽带（UWB）通信系统，因为UWB系统的短脉冲特性使得在短时间内可以实现多个脉冲位置和相位的变化，从而实现高速数据传输和复杂的调制。

总的来说，BPM-BPSK调制方案是一种利用脉冲位置和相位来编码信息的高效数字调制技术，特别适用于UWB通信系统，以实现高速数据传输和频谱效率。这种方式将时间和相位综合使用，从而提高了数据传输的容量。

UWB帧结构

UWB 帧的结构如下图（图来自DW100芯片说明）所示。帧格式的详细说明在 UWB 标准中给出。 该帧由同步标头 (SHR) 组成，其中包括前导码符号和起始帧定界符 (SFD)，后跟 PHY 标头 (PHR) 和数据。 数据帧通常以字节数指定，帧格式将包括 48 个 Reed-Solomon 奇偶校验位，每个块包含 330 个数据位（或更少）。最大标准帧长度为 127 字节，包括 2 字节的 FCS。

芯片实例

以常用的DW1000为例，DW1000超宽带 (UWB) 收发器IC是一款符合IEEE 802.15.4-2011标准的低功耗收发器IC。DW1000可用于双向测距或TDoA定位系统，精度达10cm。该器件支持数据传输，速率高达6.8Mbps。DW1000具有带接收器和发射器的模拟前端，支持3.5 GHz to 6.5 GHz的6个UWB channel。该器件具有数字后端，其连接片外主机处理器。TX/RX开关将接收器或发射器连接到天线端口。片上设有温度和电压监控器。

其系统内部主要包含射频收发前端和数据生成解析的模块，更详细的系统框图如下

该芯片的接收机是超外差结构，所谓超外差结构一种基于频率转换的接收器架构，旨在提高信号选择性和抗干扰性。
超外差结构是一种用于接收器的电子电路设计，它的目标是从无线信号中提取有用的信息，比如音频、数据或图像。为了更好地理解，让我们将其与一台收音机进行比较。

• 普通收音机：
  普通的收音机接收来自广播电台的无线电信号。这些信号在不同的频率上传输，每个频率对应一个不同的广播电台。收音机的目标是选择一台特定的电台并播放它的节目。
• 超外差结构收音机：
  超外差结构收音机使用了一种不同的方法来实现相同的目标。它的核心思想是将来自不同电台的信号全部转换到一个相同的中间频率，然后再进行选择和处理。
  让我们详细解释这个过程：

1. 信号选择：
   当不同电台的信号进入收音机时，它们具有不同的频率。超外差结构通过将所有这些信号转换到一个中间频率来进行信号选择。这样，所有的信号都在同一个频率范围内。
2. 混频：
   接下来，收音机会使用一个本地振荡器（Local Oscillator，LO）产生一个特定频率的信号。这个本地振荡器的频率可以控制，因此可以调整为与目标电台的频率非常接近。然后，接收到的信号和本地振荡器的信号会进行混频（相乘）。
3. 中间频率：
   混频过程会产生两个频率之差的信号，即中间频率信号。这个中间频率信号包含了来自目标电台的信息。
4. 信号处理：
   中间频率信号通过滤波和放大来处理，以便从中提取出音频或数据。这个过程可以理解为对信号进行整理和增强。
5. 结果：
   最终，超外差结构收音机从中间频率信号中提取出有用的信息，然后将其转化为声音或数据，以供听众或用户使用。

总之，超外差结构是一种接收器设计，通过将不同频率的信号转换到一个共同的中间频率来提高信号选择性和抗干扰性。这种结构在无线通信、广播和许多其他无线应用中非常常见。

该芯片的接收机包括低噪声放大器(Low Noise Amplifier,LNA)、混频器(Mixer)、滤波器、模数转换器(ADC)等模块。超外差结构首先将通过LNA放大后的射频信号下混频之后，通过低通滤波器将倍频信号滤除，从而得到较低频率的中频信号。由此可以降低对ADC带宽的要求。
DW1000支持的具体频段如下表

UWB Channel Number	Centre Frequency (MHz)	Band (MHz)	Bandwidth (MHz)
1	3494.4	3244.8 – 3744	499.2
2	3993.6	3774 – 4243.2	499.2
3	4492.8	4243.2 – 4742.4	499.2
4	3993.6	3328 – 4659.2	1331.2*
5	6489.6	6240 – 6739.2	499.2
7	6489.6	5980.3 – 6998.9	1081.6*

需要特别说明的是虽然Channel 4和Channel 7的带宽超过了900Mhz，但实际上DW1000最大接收带宽也只在900Mhz左右。