概述
在物联网定位与数据传输场景中，DW1000 作为遵循 IEEE802.15.4-2011 UWB 标准的芯片，其核心数据传输载体是 “帧”。它像一个精密的 “快递包裹”，通过三层结构（同步头、PHY 头、PHY 服务数据单元）实现 “精准同步、清晰解析、安全传输”，既支持 10cm 精度的测距功能，又能稳定传递业务数据。下面从结构、计算、流程三方面，完整拆解 DW1000 帧的设计逻辑。
DW1000 的帧全称是PHY 协议数据单元（PPDU），整体遵循 “同步→说明→数据” 的递进逻辑，每层功能独立且环环相扣。其核心参数如下表所示
| 组成部分 | 包含内容 | 长度（符号 / 字节） | 核心作用 |
|---|---|---|---|
| 同步头（SHR） | 前导码 + SFD | 前导码：128-4096 符号；SFD：8/64 符号 | 同步时钟、识别帧开始 |
| PHY 头（PHR） | 数据速率、帧长度等 | 固定 21 符号 | 告诉接收端 “怎么解析数据” |
| PSDU | MPDU（实际数据）+ FCS | 标准 127 字节；扩展 1023 字节 | 传递业务数据 + 校验完整性 |
一、第一层：同步头（SHR）：让接收端 “找到信号”
同步头是帧的 “外层标识”，作用是让接收端从复杂的无线环境中，快速识别 “这是一个有效 UWB 帧”，并校准自身时钟与发送端同步，就像快递盒上的 “快递品牌 logo”，一眼就能认出来。它包含两部分：
1.1. 前导码（Preamble）：帧的 “引导员”与“时钟校准器”
前导码是一串重复的符号序列，核心作用是时钟同步和干扰过滤。接收端通过前导码调整自身时钟频率，接收端只接收匹配 UWB 前导码规则的信号，避免误接收蓝牙、Wi-Fi 等其他无线信号。
前导码长度是可配置的，常见 128、256、1024、2048 个 “符号”（类似快递面单上的 “条形码长度”）。长度越长，同步越稳定、抗干扰越强，但传输速度越慢，比如 110kbps 低速率下用 2048 符号，适合远距离传输；6.8Mbps 高速率下用 128 符号，适合近距离快传。
1.2. 帧起始定界符（SFD）：帧的 “开始口令”
帧起始定界符告诉接收端 “前导码结束了，接下来是正文”，相当于快递面单上的 “拆封线”，明确标识 “从这开始是包裹内容”。
SFD可配置为8个符号（适配 850kbps/6.8Mbps 速率）或者64个符号（适配 110kbps 低速场景），是 “同步到数据” 的关键过渡。
1.3. 同步头传输时间计算
同步头的组成为若干个符号组成（前导码符号数 + 帧起始定界符符号数），而一个符号的传输时间与数据速率和 PRF（脉冲重复频率）配置有关，DW1000的data sheet会给不同数据速率和 PRF（脉冲重复频率）下的符号时长信息（见下文4.1）。
SHR 发送时间 = (前导码符号数 + SFD符号数) × T_SHR_symbol (即同步头 SHR 的符号时长)；
二、 第二层：PHY 头（PHR）： 告诉接收端 “怎么解析数据”
PHY 头是帧的 “说明书”，用 21 个符号（固定长度）告诉接收端：“这帧数据怎么读？多长？”，就像快递面单上的 “包裹类型（易碎 / 普通）、重量”，让快递员知道怎么处理。
它的核心信息包括：
- 数据速率：比如 110kbps、850kbps、6.8Mbps—— 接收端要按对应速率解码，不然会 “读错”。
- 帧长度：指后续 “数据部分” 的字节数 —— 接收端知道要接收多少字节，避免 “少收” 或 “多收”。
PHR发送时间 = 21 × T_PHR_symbol（即PHY 头的符号时长）；
三、第三层：PHY 服务数据单元（PSDU）： 实际要传的 “货物”
这是帧的 “核心内容”，包含两部分：实际数据和校验信息，就像快递里的 “物品 + 质检单”。
3.1. MAC 协议数据单元（MPDU）： 实际数据本体
存放要传递的业务数据，比如传感器采集的温度、设备的位置信息等。可配置为标准长度或者扩展长度
- 标准长度：最多 127 字节（含后续 FCS），适合常规数据传输；
- 扩展模式：DW1000 支持 “专有长帧模式”，最多能传 1023 字节（需特殊配置，适合大数据量场景）。
3.2. 帧检验序列（FCS）：数据的 “质检单”
用于校验数据在传输中是否损坏，发送端会根据数据计算出 2 字节的 “校验码”（FCS），接收端收到数据后重新计算，若和 FCS 一致，说明数据完好；不一致则丢弃。DW1000 会自动生成 FCS（发送时）和校验 FCS（接收时），不用手动写代码计算。
3.3. PSDU发送时间计算
PSDU（包含 MPDU+FCS）采用BPM-BPSK 调制方式，且数据部分（不含前导码、SFD、PHR）的符号传输遵循 “1 个符号承载 1 位数据” 的规则，则PSDU发送符号个数 = （数据字节数 + 2） × 8；
PSDU发送时间 = （数据字节数 + 2） × 8 × T_PSDU_symbol；
四、其他
4.1 帧发送时间计算整体示例
若你的配置如下：
- PRF：16MHz；
- 数据速率：110kbps（0.11Mbps）；
- 前导码长度：1024 符号；
- MPDU 业务数据：12 字节（标准短数据）；
- FCS：2 字节（默认添加）；
结合DW1000的data sheet中的符号时间表，如下所示：
SHR 发送时间 = （1024 + 8）× 993.58 ns ≈ 1025.4 μs，其中在16MHz PRF下，SFD符号数选择8；
PHR 发送时间 = 21× 8205.13 ns ≈ 172.3 μs；
PSDU发送时间 = （14 + 2） × 8 × 8205.13 ns 919.1 μs；
总发送时间 = 1025.4μs + 172.3μs + 919.1μs ≈ 2116.8μs ≈ 2.12 ms；
4.2 发送过程简述
发送端按以下顺序打包帧，接收端按逆序解析：
发送端打包：
写入 MPDU 数据 → 自动添加 FCS → 生成 PHY 头（含速率 / 长度） → 添加 SHR（前导码 + SFD） → 射频发送；
接收端解析：
接收 SHR（同步时钟） → 解析 PHY 头（获取速率 / 长度） → 接收 PSDU → 校验 FCS → 输出 MPDU 数据。
4.3 关键设计注意事项
前导码长度选择：远距离场景选长前导码（如 2048 符号），近距离高速场景选短前导码（如 128 符号），平衡同步稳定性与传输效率；
长帧模式配置：需通过PHR_MODE寄存器启用（参考 DW1000 用户手册），且收发两端必须同时开启，否则无法通信；
FCS 功能：默认自动启用，若需自定义校验（如特殊协议），可通过SFCST控制位关闭自动 FCS 生成。
总结
本文详细解析了 DW1000 芯片帧的组成，包括同步头（SHR）、PHY 头（PHR）和 PHY 服务数据单元（PSDU）。通过理解这些组成部分及其功能，可以更好地设计和优化基于 DW1000 的物联网定位与数据传输系统。关键设计注意事项包括前导码长度的选择、长帧模式的配置以及 FCS 功能的使用。
