UWB超宽带协议解读

前言：苹果在2019年发布带有超宽带（UWB）收发器的iphone 11，使得沉寂多年的超宽带技术收到广泛关注，据悉，苹果自研的超宽带芯片U1是基于超宽带协议IEEE 802.15.4a设计的，本文将对该协议进行解读。

IEEE 802.15.4a标准经过多次修改，最新的版本IEEE 802.15.4-2015，超宽带相关标准只是IEEE 802.15.4-2015标准中的一部分，本论文仍然以“802.15.4a”名字叙述，是基于脉冲无线电超宽带（IR-UWB, Impulse-Radio Ultra-Wideband）技术的通信标准。传输数据率覆盖了0.11-27.24Mb/s。

IEEE 802.15.4a虽然基于脉冲无线电技术，但实际上已不是传统的跳时IR-UWB，而是通过单个Symbol多个Chip单元序列共同形成一个脉冲Burst，通过保持平均脉冲率不变，使得平均功率谱密度不变。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-BPSK, Burst Position Modulation，Binary Phase-shift Keying)。如图所示是单个Symbol结构。

每个Symbol包含二个BPM区域，一个BPM包含Nhop个Burst可能出现位置和Nhop个保护间隔（Guard Interval），其中Guard Interval是为了降低通信过程中多径效应的影响。单个Burst由Ncpb个连续的Chip/Pulse组成，持续时间为:

每个Symbol可以用来携带二位信息，一个Burst出现的位置落在第一个或第二个BPM区间表示了位置信息，Burst的相位（-1或1）用来表示相位信息。每个Chip就是一个基带脉冲，如何评价基带脉冲波形，IEEE 802.15.4a协议做了如下规定，令脉冲发生器产生的脉冲为p(t)，标准的参考脉冲为r(t)，二者做互相关得到归一化的表达式如下：

ϕ(τ)\phi(\tau)表明了实际产生的脉冲与标准脉冲的相关程度。其中Er和Ep表示r(t)和p(t)的能量，参考脉冲r(t)是根升余弦脉冲，滚降因子 β=0.5\beta=0.5 ，数学表达式所示：

协议规定r(t)和p(t)互相关得到的归一化函数|ϕ(τ)||\phi(\tau)|，其主瓣大于0.8的宽度大于Tw，任何旁瓣小于0.3，其中Tp，Tw的大小如下所示。

IEEE 802.15.4a的工作频带做了详细的说明，带宽共有四种，499.2MHz，1081.6MHz，1331.2MHz，1354.97MHz。详细情况如表2.2所示，共有16个信道，可以分为3组，分别为低于1GHz的频段组，3.1-4.8GHz的低频段组和高于5GHz的高频段组。

将不同信道对应的中心频率和带宽用坐标轴表示，如图4所示，其中纵坐标代表信道数，横坐标代表信道的带宽。

由于脉冲信号由射频前端发射出去，会经过射频前端的非线性，产生频谱泄露，带外的信号可能会干扰到其他通信协议的信号，因此一般通信中需要设置频谱掩膜板或功率谱密度掩膜板，输出的频谱或功率谱密度需要在掩膜板内。IEEE 802.15.4a标准属于超宽带技术标准的一种，在遵守FCC功率谱密度规定的同时，也对该协议每个信道的输出功率谱密度做了限制，具体的限制规定如下，在0.65/Tp< |f−fc||f-f_{c}| <0.8/Tp，输出脉冲波形功率谱密度低于峰值功率谱密度10dBr（dB relative），在|f−fc||f-f_{c}|>0.8/Tp，应低-18dBr。其中fc代表载波频率，Tp如图2所示的值。

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