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引言

  超宽带（Ultra-Wideband, UWB）技术遵循IEEE802.15.4a和802.15.4z标准，通过精确测算无线电信号飞行时间，可实现厘米级精度的距离与位置测量，兼具定位与通信功能的无线技术。DW3000是一系列完全集成的低功耗单芯片CMOS射频收发器集成电路，本文基于DW3000芯片，从技术原理、算法设计、硬件开发、软件实现及系统验证等维度，设计并实现了一款UWB定位通信模块。该模块与STM32微控制器结合，可实现高精度角度与距离测量，并通过数据承载功能，达成厘米级定位与数据通信一体化应用。

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  欲设计本项目的思考、灵感源自于本人所在实验室的成长与学习，微信公众号智能认知通信与信号处理Lab;可以关注公众号，本人导师及师兄弟们均有不少优质的内容分享。本人已将不少公众号里的优质内容放在参考资料里，可直接点击访问奥！

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一、DW3000芯片技术原理

1.1 芯片硬件架构

  DW3000由包含接收器和发射机的模拟前端（射频与基带部分）以及数字后端组成。数字后端通过行业标准SPI接口与主机处理器连接，控制模拟前端，接收来自主机处理器的传输数据，并将接收到的数据提供给主机处理器，如图1.1所示为DW3000芯片框图。

图1.1 DW3000芯片框图

  DW3000芯片集成UWB通信与定位功能，支持6489.6 MHz（信道5）及7987.2 MHz（信道9）双频段，融合双向测距、TDoA与PDoA定位技术，实现定位与数据传输并行，精度达10 cm；具备强抗多径衰落性能，适配RTLS高标签密度场景。硬件架构采用极简设计，集成MAC协议处理模块与38 MHz SPI高速接口，低功耗特性适配纽扣电池供电。数据传输方面，支持850 kb/s、6.8 Mb/s双速率模式，数据包长度0–1023八位字节；内置增强型飞行时间安全机制，集成AES CCM*/GCM（128/192/256）加密算法，满足全球UWB法规标准。

1.2 芯片操作机制解析

1.2.1 通信接口特性

  DW3000主机通信接口是一个符合行业协议的从属串行外设接口SPI，主机系统通过SPI接口控制DW3000，进行配置寄存器与状态寄存器的读写操作、数据缓冲区的访问以及指令的发送。芯片的SPI MISO接口在片选信号（SPI CS）无效时自动切换至开漏模式，通过外部上拉电阻实现SPI总线的多设备并联共存。

图1.2.1 芯片SPI时序图

  该芯片不支持菊花链拓扑，因其未被选中时的SPI接口仅能实现电气层面的被动信号导通（非逻辑中继透传），无法满足菊花链中信号分层转发的要求，易引发多设备数据冲突。芯片遵循摩托罗拉SPI协议，工作时序如图1.2.1所示为芯片SPI时序图。

1.2.2 通信模式选择

  SPI工作模式的配置在DW3000初始化阶段完成，该过程由设备复位或睡眠唤醒事件触发。初始化时通过采样芯片GPIO5/6引脚电平，确定SPI的时钟极性（CPOL）与相位（CPHA）模式，如图1.2.2所示为CPHA为0的时序关系图。

图1.2.2 CPHA为0的时序关系图

  如图所示，当CPHA参数设为0时，需搭配CPOL的参数为0协同工作。本文设计定位通信模块采用CPOL=0与CPHA=0的SPI模式，表1为芯片的四种模式配置。

表1 芯片的四种模式配置

GPIO 5 (SPIPOL)	GPIO 6 (SPIPHA)	SPI Mode
0	0	0
0	1	1
1	0	2
1	1	3

  如表所示，GPIO 5与GPIO 6引脚配置用于SPI模式的采样判定。两引脚内部默认下拉至低电平，对应SPI模式0。若需配置其他模式，需通过阻值不超过10 kΩ的外部电阻上拉至VIO_D电源。本设计的定位通信模块采用默认SPI模式0，其时序关系如图1.2.2所示 。

1.2.3 通信事务格式化

  每个SPI事务都以一个或两个八位字节的事务头开始，随后是构成事务数据的可变数量的八位字节。SPI传输的大小不受限制，但在向DW3000的任何寄存器写入时，必须注意不要写入超出所选寄存器公布长度的额外数据(1.1章节描述，数据包长度0–1023八位字节)，否则可能会导致IC故障，如图1.2.3(a)所示为SPI事务头和事务数据。

图1.2.3(a) SPI事务头和事务数据

  在物理层协议中，SPI接口呈现全双工特性，每次数据传输均同步完成数据位的移入与移出操作；而在逻辑层面，单次传输仅能执行读或写单一操作。本设计中MCU作为主设备、芯片作为从设备，数据按高位优先（MSB first）规则在SPI数据线上传输，其中交易序列的首位决定通信方向——0表示读操作，1表示写操作。
  CS负跳变时，SPI事务处理器初始化，芯片将后续字节解析为新事务头；CS正跳变时，事务终止。芯片通过SPI可访问参数划分为32个独立寄存器组，每个读写事务头含5位寄存器组ID——基地址，用于标识当前访问的寄存器组。通过选中寄存器组内的子地址映射，可高效访问芯片内部所有参数，事务头长度依子地址模式不同分为1字节或2字节，如图1.2.3(b)所示为SPI命令格式化。

图1.2.3(b) SPI命令格式化

  如图可知，SPI命令结构包含四种类型：其一为快速单字节命令，支持多达32种独特指令；其二是快速寻址模式，可对32个地址执行读写操作，该命令结构通过尾比特填充为SPI地址解码器预留读数据获取时间，读取长度由SPI事务长度决定；其三为完整寻址模式，支持32个地址的读写及最多128字节的偏移寻址，同样通过尾比特填充确保解码器时序，读写长度由事务长度动态确定；其四是掩码写事务，旨在简化读-改-写操作，主机可向目标地址写入数据并对1、2或4字节数据应用置位、清零或翻转掩码，相关读-改-写指令由SPI命令解码器在内部完成。

1.3 射频通信协议与数据帧机制

1.3.1 消息传输

  数据包传输是DW3000收发器的核心基础功能，支持含数据有效载荷与无数据有效载荷两种传输模式。该收发器兼容四种数据包格式，均符合IEEE 802.15.4a与IEEE 802.15.4z标准规范，其具体格式如图1.3.1所示为数据包格式。

图1.3.1 数据包格式

  由图可知，当STS（加扰时间戳序列）模式使能时，DW3000发射端将按图示位置嵌入STS，接收端则同步适配该结构以实现准确接收。数据包以同步头为起始，同步头包含前导码与帧起始定界符（SFD）；物理层头（PHR）用于定义数据有效载荷的长度及传输速率。STS的引入可实现安全时间戳标记与测距功能。
  在数据的发送过程中，主机控制器需将待传输数据写入发送缓冲区（TX_BUFFER），并在发送帧控制寄存器（TX_FCTRL）与信道控制寄存器（CHAN_CTRL）中配置前导码长度、帧长度、数据速率及脉冲重复频率（PRF）。PRF的取值由所选前导码类型（TX_PCODE）决定。当其他相关配置完成，主机控制器通过发送TX指令启动传输。传输启动后，DW3000 将发送完整数据包，包含前导码、帧起始定界符（SFD）、物理层头（PHR）及物理层有效载荷（MAC帧）。加扰时间戳序列（STS）的有无取决于所配置的数据包格式——图1.3.1；在STS数据包配置3（SP3）中，物理层头（PHR）与物理层有效载荷（PHY Payload）将被省略。
  为辅助MAC层组帧，集成电路在基于帧长度（TXFLEN）从发送缓冲区（TX_BUFFER）传输（MAC）数据时，会计算帧校验序列（FCS）并自动附加。数据传输完成后，通过系统状态寄存器（SYS_STATUS）中的发送完成（TXFRS）事件状态位向主机发出信号，随后芯片返回锁相环空闲（IDLE_PLL）模式以等待新指令。

1.3.2 信息接收

  接收UWB信号时，主机可通过请求使能接收器启动数据包接收，该操作需在设备处于RC空闲模式（IDLE_RC）或锁相环空闲模式（IDLE_PLL）时执行。设备上电后首次使能接收前，必须对接收器进行校准；当ONW_PGFCAL位被置位时，接收校准会在唤醒过程中自动完成。
  主机通过发送接收启动指令使能接收器。接收器启动后，将持续搜索前导码直至检测或捕获到前导码，随后尝试解调，如图1.3.2所示为接收序列。

图1.3.2 接收序列

1.4 基站与标签节点选型策略

  在实现本文设计的定位通信模块，系统架构采用基站-标签（Anchor-Tag）的分布式拓扑结构。其中，基站节点选用DW3220芯片，标签节点采用DW3210芯片。该选型策略基于以下技术考量：DW3220芯片集成双天线接收阵列，支持到达相位差（PDOA）测量技术，可通过空间分集处理实现角度估计功能；其双接收通道架构允许同时采集两路信号，为PDOA融合定位算法提供硬件基础。相较之下，DW3210作为单天线接收芯片，通过简化射频前端结构显著降低功耗，满足标签节点长期续航需求。

二、算法描述

  定位技术的三类主流实现方法为：基于到达时间差（TDoA）的定位、基于飞行时间（ToF）的定位及基于到达相位差（PDoA）的定位。本章将具体阐述双向测距（TWR）算法与PDoA角度估计算法。

2.1 DS-TWR算法

  双边双向测距（DS-TWR）是基础单边双向测距的扩展形式，其通过两次往返时间测量及融合计算获取飞行时间结果。具体流程为：设备A发起首次往返测量，设备B响应；随后设备B发起第二次往返测量，设备A响应，完成完整的DS-TWR交互。期间，两台设备均对消息的发送与接收时刻进行精确时间戳标记。该方法的四次通信可简化为三次：将首轮往返测量的回复信号作为第二轮往返测量的发起信号，如图2.1所示为DS-TWR流程。

图2.1 DS-TWR流程

  如图所示，最终的飞行时间估计值可由公式(1)表示。
$${\hat{T}}_{\text{prop}}=\frac{T_{\text{round1}}\times T_{\text{round2}}-T_{\text{reply1}}\times T_{\text{reply2}}}{T_{\text{round1}}+T_{\text{round2}}+T_{\text{reply1}}+T_{\text{reply2}}}\text{\hspace{1em}(1)}$$
  该方案被命名为"非对称"，因无需各设备回复时间一致。采用此方案时，即便使用20 ppm晶体，由时钟引入的典型误差也处于皮秒量级低区间。

2.2 PDoA算法

  到达相位差——PDoA，是超宽带（UWB）定位系统中实现角度估计的核心技术之一。其基本思想为，利用阵列天线间的相位差信息，结合几何模型推导信号入射角度，进而达成目标定位。
  在实际应用场景里，构建几何模型时，设天线阵列由两个间距为$d$的天线构成，入射信号以角度$\theta$(法线夹角)传播。由于远距离场景下信号可近似为平面波，其波前垂直于传播方向，使得两天线接收信号存在路径差$\Delta r$，如图2.2所示为PDoA流程。

图2.2 PDoA流程

  从几何关系上看，路径差$\Delta r$由天线间距$d$和入射角度$\theta$共同决定，满足公式(2)。
$$\Delta r=d\cdot \sin \theta \text{\hspace{1em}(2)}$$
  依据电磁波相位传播特性，路径差对应相位差$\Delta \varphi$，二者关系满足公式(3)。
$$\Delta \varphi =\frac{2\pi }{\lambda }\cdot \Delta r\text{\hspace{1em}(3)}$$
  其中，$\lambda$为信号波长。联立公式(2)、(3)，可推导出公式(4)。
$$\theta =\arcsin \left(\frac{\lambda \cdot \Delta \varphi }{2\pi d}\right)\text{\hspace{1em}(4)}$$
  通过测量相位差$\Delta \varphi$，能够反演得到入射角度$\theta$。

三、样机搭建验证

3.1 样机搭建实物展示

  经前文所述，本章节开展样机搭建及验证工作，如图3.1所示为焊接样板实物图。

图3.1 焊接样板实物图

3.2 样机实物演示视频

  演示视频

总结

  本文系统探讨了超宽带（UWB）技术，通过理论分析与实践验证，阐明了其在定位领域的核心技术框架，涵盖双向测距（TWR）与到达相位差（PDoA）角度估计的原理及实现方法。基于此，研制了基于DW3000芯片与STM32微控制器的定位通信模块，并通过样机实验完成了功能验证，相关实验结果通过图像与视频进行了可视化展示。研究过程中积累的UWB系统设计与实现经验，其技术分析与实现方案可为同类UWB定位设备的研发提供可复用的技术参考，亦为该领域研究人员及工程技术人员提供了实践借鉴。同时，本文阐述的技术路线与实践过程，可作为UWB技术深化研究与创新应用的典型案例，为高精度定位及复杂场景适配等方向的后续研究提供了方法参考与思路启示。

参考资料

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【IEEE TWC】切断“捷径学习”：单源域泛化赋能高鲁棒性无线设备指纹识别（附开源代码）
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【物联网无线通信技术】UWB定位从理论到实现（DW1000）
UWB测距原理及实现
IEEE802.15.4z
IEEE802.15.4-2015