# 物理层详解

本文详细解释 SparkLink SLE 物理层的设计与实现, 覆盖调制波形、帧结构、信道编码和收发流水线, 逐一对标 TXS-10002-2025 标准条款并说明代码中的实现方式。

## 调制方式

SLE 物理层支持两大类调制: 频移键控 (GFSK) 和相移键控 (PSK), 分别用于不同帧类型。

### GFSK 调制 (§6.2.1.1)

高斯频移键控是 FT1 帧的唯一调制方式。标准规定:

- 高斯滤波器带宽时间积 BT = 0.5
- 调制系数 h 在 0.45 至 0.55 范围内, 默认 0.5
- 比特 1 对应正频偏, 比特 0 对应负频偏

SLE 定义了 7 种带宽配置, 从 0.1 MHz 到 4 MHz:

| 带宽 | 符号周期 | 最小频偏 |
|------|----------|----------|
| 0.1 MHz | 10 $\mu$s | 23.125 kHz |
| 0.25 MHz | 4 $\mu$s | 92.5 kHz |
| 1.0 MHz | 1 $\mu$s | 185 kHz |
| 2.0 MHz | 0.5 $\mu$s | 370 kHz |
| 4.0 MHz | 0.25 $\mu$s | 740 kHz |

**代码实现**: `phy.gfsk.GFSKModulator` 类。调制过程为 NRZ 映射 → 上采样 → 高斯滤波 → 频率积分 → 复基带:

$$
s(t) = \exp\!\left(j \cdot 2\pi h \int_0^t \sum_k a_k \cdot g(\tau - kT)\,d\tau\right)
$$

解调采用非相干的频率鉴别器方案 (`GFSKDemodulator`), 通过相邻采样点的相位差提取瞬时频率。

### PSK 调制 (§6.2.1.2)

FT2-FT4 帧使用相移键控, 支持三种调制阶数:

**BPSK** (每符号 1 bit):

- 比特 0 → 相位 90°, 比特 1 → 相位 -90°
- 偶数位符号额外顺时针旋转 90°

**QPSK** (每符号 2 bit):

- 00→45°, 01→135°, 11→-135°, 10→-45°
- 偶数位额外 -45° 旋转

**8PSK** (每符号 3 bit):

- Gray 编码, 22.5° 间隔
- 偶数位额外 -22.5° 旋转

"偶数位"的定义: 无线帧的第一个符号处于奇数位 (索引 0 = 奇), 索引 1 = 偶, 以此类推。这一额外旋转有助于改善时钟恢复性能。

脉冲成型使用平方根升余弦 (RRC) 滤波器, 滚降系数 $\beta = 0.4$, 每符号采样数默认 4。收发两端各一个 RRC 滤波器, 级联后满足 Nyquist 无码间干扰准则。

**代码实现**: `phy.psk.PSKModulator` 类。星座映射定义在 `BPSK_MAP`, `QPSK_MAP`, `_8PSK_MAP` 等常量中。导频符号共用同一相位查找表, 由 `phy.pilot` 模块生成。

此外还有一种**无旋转 BPSK** 映射 (0→0°, 1→180°), 用于同步信号 3/4 中的 m 序列调制, 不参与偶数位旋转。

### 多音信号 (§6.2.1.3)

多音信号由 N 个单音叠加:

$$
S(t) = \sum_{i=0}^{N-1} A_i \cdot e^{j(\omega_i t + \phi_i)}
$$

主要用于射频校准和测量场景。`phy.multitone` 模块实现了可配置音数、幅度和初始相位的多音信号生成。

### UWB 脉冲 (§6.2.1.4)

超宽带脉冲信号采用 Kaiser 窗参考波形 ($\beta = 10$), 支持两种带宽:

| 信号带宽 | 脉冲宽度 $T_p$ | 窗口 $T_w$ |
|----------|----------------|------------|
| $\geq$ 500 MHz | 2 ns | 0.5 ns |
| $>$ 1300 MHz | 0.75 ns | 0.2 ns |

码片调制 $c(n) \in \{-1, 0, +1\}$, 最大脉冲重复频率 499.2 MHz。

**代码实现**: `phy.uwb_pulse` 模块, 提供参考脉冲生成、码片调制和互相关验证。

## 帧结构 (§6.3)

### 无线帧的组成

每个物理帧由帧头和数据两部分构成:

```text
┌─────────── 帧头 ───────────┐┌───── 数据 ──────┐
│ 前导码 │ 同步序列 │ 控制信息 │ 载荷数据 │ CRC   │
└───────┴─────────┴─────────┘└─────────┴───────┘
```

各帧类型的差异集中在帧头的编码和调制方式上:

### FT1 — 广播帧 (§6.3.2)

- **前导码**: GFSK, [0,1] 交替, 10 $\mu$s
- **同步序列**: sync_signal_1, 32 位→32 个 GFSK 符号
- **控制信息**: A 组, 无 Polar 编码, GFSK 调制
- **载荷**: 不经 Polar 编码, 直接 GFSK 调制
- **典型用途**: 广播、发现、接入请求/响应

FT1 是最轻量的帧类型, 没有前向纠错编码开销。控制信息头部用 BCH 码保护, CRC 种子由同步序列低位确定。

### FT2 — 短头数据帧 (§6.3.3)

- **前导码**: PSK, [$\pi/4$, 0] 交替, 10 $\mu$s
- **同步序列**: sync_signal_2, 64 位→32 个 QPSK 符号
- **控制信息**: A 组, Polar(64,K) 编码→32 QPSK 符号, 导频间隔 16
- **载荷**: 码块分割 (无段内 CRC) → Polar 编码 → PSK 调制 + 导频
- **导频**: 可选, 间隔 4/8/16

### FT3 — 长头数据帧 (§6.3.4)

- **前导码**: PSK, [$\pi/4$, 0] 交替, 12 $\mu$s
- **同步序列**: sync_signal_3, 31+31 位→62 个 BPSK 符号 (基于 m31 序列)
- **控制信息**: B 组, Polar(256,K)→128 QPSK 符号, 导频间隔 4
- **载荷**: 码块分割 (含段内 CRC) → Polar 编码 → PSK 调制 + 导频
- **特点**: B 组 CRC 种子 = `0x555555 ^ LLID`

### FT4 — 扩展头数据帧 (§6.3.5)

- **前导码**: PSK, [$\pi/4$, 0] 交替, 16 $\mu$s
- **同步序列**: sync_signal_4, 63+63 位→126 个 BPSK 符号 (基于 m63 序列)
- **控制信息**: B 组, Polar(256,K)→256 BPSK 符号, 导频间隔 4
- **载荷**: 与 FT3 相同的编码方案, 但同步序列更长, 适合低信噪比场景

### 时序参数

系统基础时隙 $T_{sys} = 125\,\mu s$, 由 30 位计数器表示当前时刻。调度时隙有 25/50/75/100/125 $\mu$s 五种选择。帧的空口时长由以下公式决定:

$$
T_{frame} = T_{preamble} + T_{sync} + T_{ctrl} + T_{data} + T_{guard}
$$

**代码实现**: `phy.frame` 模块的 `_SYNC_CONFIG` 和 `_CTRL_CONFIG` 字典定义了四种帧类型的完整参数。`assemble_frame_bits()` 生成比特级帧结构, `frame_to_symbols()` 完成到调制符号的转换。

## 物理层控制信息 (§6.4)

控制信息是帧头中紧跟同步序列之后的结构化字段, 携带帧类型、载荷长度、MCS 等元信息。

### A 组 (FT1/FT2)

A 组控制信息使用 CRC12 校验, 种子来自同步序列的低 12 位。定义了 7 种子类型:

| 类型 | 用途 |
|------|------|
| A1 | 广播/发现/接入 |
| A2 | 异步数据 (控制面) |
| A3 | 异步数据 (数据面) |
| A4 | 异步数据 (复用) |
| A5 | 同步等时 |
| A6 | 半可靠组播反馈 |
| A7 | 测量管理 |

### B 组 (FT3/FT4)

B 组使用 CRC24B 校验, 种子固定为 `0x555555`, CRC 结果与链路标识 LLID 异或。定义了 5 种子类型 (B1-B5), 对应异步数据、同步等时和测量等场景。

**代码实现**: `phy.control_info` 模块提供 `ControlInfoA1` 至 `ControlInfoA7` 和 `ControlInfoB1` 至 `ControlInfoB5` 等数据类, 各自实现 `pack()` 和 `unpack()` 方法。

## 同步信号 (§6.2.3)

同步序列用于接收端定位帧起始位置。SLE 定义了 6 种同步信号:

| 信号 | 长度 | 调制 | 生成方式 | 帧类型 |
|------|------|------|----------|--------|
| sync_signal_1 | 32 bit | GFSK | GoldCode(32) | FT1 |
| sync_signal_2 | 64 bit | QPSK | GoldCode(64) | FT2 |
| sync_signal_3 | 62 bit | BPSK | m31+m31, pid 控制 | FT3 |
| sync_signal_4 | 126 bit | BPSK | m63+m63, pid 控制 | FT4 |
| sync_signal_5 | 32 bit | GFSK | 安全随机函数 | FT1 (安全) |
| sync_signal_6 | 64 bit | BPSK | 安全随机函数 | FT2 (安全) |

sync_signal_3/4 的两段 m 序列由 PID (24 位) 通过哈希选择初始状态, 使得不同链路的同步序列正交。sync_signal_5/6 使用密码学安全随机数生成, 防止被预测。

**代码实现**: `phy.sync_sequence` 模块实现全部 6 种信号的生成, `common.m_sequence` 提供底层 m 序列算法。

## 前导码 (§6.2.2)

前导码位于帧最前端, 用于接收端的载波同步和符号定时恢复:

| 帧类型 | 波形 | 持续时间 | 样式 |
|--------|------|----------|------|
| FT1 | GFSK | 10 $\mu$s | [0,1,0,1...] 交替 |
| FT2 | PSK | 10 $\mu$s | [$\pi/4$, 0, $\pi/4$, 0...] 交替 |
| FT3 | PSK | 12 $\mu$s | 同上 |
| FT4 | PSK | 16 $\mu$s | 同上 |

前导码长度随帧类型递增, FT4 最长 (16 $\mu$s), 提供更好的同步捕获性能。

**代码实现**: `phy.preamble.generate_preamble()` 函数根据帧类型自动选择波形和时长。

## 导频 (§6.7)

导频符号是已知相位的参考符号, 周期性插入数据符号流中, 用于接收端进行信道估计和相位跟踪。

导频相位与该调制阶数的标准相位一致: BPSK 90°, QPSK 45°, 8PSK 22.5°。偶数位导频执行与数据符号相同的额外旋转。

插入规则: 每 $N$ 个数据符号后插入 1 个导频, $N$ 可选 4/8/16。帧末尾的导频可省略。

FT1 不使用导频。FT2 导频可选 (默认间隔 16)。FT3/FT4 强制使用导频 (默认间隔 4)。

**代码实现**: `phy.pilot.insert_pilots()` 和 `remove_pilots()` 函数。

## 信道编码 (§6.9-6.11)

### CRC 校验 (§6.9)

SLE 使用四种 CRC:

| 类型 | 生成多项式 | 用途 |
|------|-----------|------|
| CRC12 | $D^{12}+D^{11}+D^3+D^2+D+1$ | A 组控制信息 |
| CRC24A | $D^{24}+D^{23}+D^{18}+D^{17}+D^{14}+D^{11}+D^{10}+D^7+D^6+D^5+D^4+D^3+D+1$ | 载荷段, B组 |
| CRC24B | (同 24A 不同多项式) | 码块分割段内 CRC |
| CRC32 | 标准 CRC-32 | 长载荷 |

CRC 计算支持种子值, A 组种子来自同步序列, B 组种子 = `0x555555 ^ LLID`。

**代码实现**: `common.crc.crc_calculate()`, 支持 Rust 加速 (`_HAS_RUST_CRC` 自动检测)。

### Polar 编码 (§6.10.1)

SLE 的前向纠错采用 Polar 码, 核心参数:

- 母码长度 $N$: 32, 64, 128, 256, 512, 1024
- 信息位数 $K$: 由 MCS 索引和载荷长度决定
- 可靠性序列: 标准附录 C 给出 1024 阶固定排序

编码器执行蝶形 GF(2) 变换, 解码器采用逐次消除 (SC) 算法, 辅以 SSC 剪枝 (rate-0/rate-1 子树快速路径)。

**代码实现**: `common.polar.PolarEncoder` / `PolarDecoder`, 均支持 Rust 加速 (PyO3 扩展 `nearlink_sdr_accel`)。编码加速约 10 倍, 解码加速约 10 倍。

### 码块分割 (§6.10.2)

当载荷超过单个 Polar 码块容量时, 进行码块分割:

- **无段内 CRC** (FT2): 载荷等分为多个码块, 每块独立 Polar 编码
- **含段内 CRC** (FT3/FT4): 每个码块附加额外 CRC, 增强可靠性

**代码实现**: `common.code_block_seg` 模块的 `segment_without_crc()` 和 `segment_with_crc()` 函数。

### BCH 编码 (§6.11)

FT1 控制信息头部使用 BCH 码保护:

- BCH(31,26): 可纠正 1 位错误
- BCH(63,24): 可纠正更多错误, 用于更长的控制字段

**代码实现**: `common.bch` 模块。

### 信道比特加扰 (§6.10.4)

加扰使用 7 位 Galois LFSR, 多项式 $x^7 + x^4 + 1$, 周期 127。种子 (whitening_seed) 在控制信息中标明, 收发端使用相同种子即可还原。

**代码实现**: `common.scrambler.scramble()`, 内部预计算一个周期的加扰序列后用 tile 扩展。

## MCS 表 (§6.10.5-6.10.6)

调制与编码方案 (MCS) 索引决定了一次传输的调制阶数和码率:

| MCS | 调制 | 每符号比特 | 码率 |
|-----|------|-----------|------|
| 0 | BPSK | 1 | 1/4 |
| 1 | BPSK | 1 | 1/3 |
| 2 | BPSK | 1 | 1/2 |
| 3 | BPSK | 1 | 2/3 |
| 4 | BPSK | 1 | 3/4 |
| 5 | QPSK | 2 | 1/2 |
| 6 | QPSK | 2 | 2/3 |
| 7 | QPSK | 2 | 3/4 |
| 8 | (无编码 FT1) | 1 | 1 |
| 9 | 8PSK | 3 | 1/2 |
| 10 | 8PSK | 3 | 2/3 |
| 11 | 8PSK | 3 | 3/4 |

MCS 8 用于 FT1 的不编码直通模式。速率匹配通过重复或打孔将 Polar 编码输出适配到目标资源数。

**代码实现**: `common.mcs` 模块定义了完整的 MCS 表和速率匹配参数。

## 跳频 (§6.10.3, §8.1)

SLE 窄带系统在 2402-2480 MHz 频段内使用 79 个信道 (1 MHz 步进)。跳频序列由伪随机数生成器驱动, 每个调度点切换一次信道。

关键参数:

- **跳频种子**: 24 位, 决定序列的随机性
- **跳频地图**: 79 位 bitmap, 标记每个信道的可用状态
- **最少可用信道**: 有下限门限, 防止可用信道过少

**代码实现**: `phy.freq_hopping` 模块的 `FreqTable`, 管理信道列表、跳频序列和屏蔽操作。

## 发射流水线 (§6.10)

完整的 TX 处理链路 (`phy.tx_pipeline.tx_chain`):

```text
应用数据
  ↓
CRC 附加                   ← common.crc
  ↓
码块分割                    ← common.code_block_seg
  ↓ (FT2-4)
Polar 编码                  ← common.polar
  ↓
比特加扰                    ← common.scrambler
  ↓
符号映射                    ← phy.psk / phy.gfsk
  ↓ (FT2-4)
导频插入                    ← phy.pilot
  ↓
帧组装                      ← phy.frame
  (前导 + 同步 + 控制信息 + 载荷)
  ↓
脉冲成型                    ← RRC / GFSK 滤波
  ↓
复基带 IQ 信号输出
```

发射参数通过 `TxConfig` 配置, 包含帧类型、MCS 索引、PID、加扰种子、CRC 长度和导频间隔等。

## 接收流水线 (§6.10)

RX 处理链路 (`phy.rx_pipeline.rx_chain`) 是发射的逆操作:

```text
复基带 IQ 信号输入
  ↓
匹配滤波                    ← RRC / GFSK 频率鉴别
  ↓
帧同步                      ← 同步序列互相关
  ↓
头部提取与解码
  符号解映射 → 解扰 → Polar 解码 → CRC 校验
  ↓
导频去除                    ← phy.pilot
  ↓
载荷解调与解码
  符号解映射 → 解扰 → Polar 解码 → 码块重组 → CRC 校验
  ↓
数据比特输出 + CRC 状态
```

帧同步通过滑动互相关检测同步序列的峰值位置, 超过门限则认为检测到帧。

## 测量帧 (§6.3.6-6.3.11)

SLE 定义了多种专用测量帧, 用于定位和感知:

| 类型 | 结构 | 用途 |
|------|------|------|
| 测量帧类型 1 | 前导+同步+均衡保护+切换间隔+测量信号 | 窄带测距 |
| 测量帧类型 2 | 仅测量信号 | 简化测量 |
| 测量帧类型 3 | 前导+同步+均衡保护 | 信道探测 |
| 测量帧类型 4 | 完整数据帧+测量信号 | 通信+测量混合 |
| UWB 脉冲测量帧 | UWB 脉冲序列 | 超宽带测距 |

**代码实现**: `phy.measurement_frame`, `phy.measurement`, `phy.measurement_tx` 模块。

## 射频合规 (§8)

`phy.rf_compliance` 模块实现了标准第 8 章的射频参数校验:

- **发射机**: 输出功率等级、GFSK 调制精度 (频偏容限)、PSK 调制精度 (EVM)、GFSK 杂散发射、PSK 频谱模板
- **接收机**: 灵敏度与最大输入电平、信道选择性、杂散发射、RSSI 测量精度
- **UWB**: 信道参数合规、频谱掩模、归一化均方根误差

这些校验函数返回合规/不合规的判定, 可用于仿真结束后的自动验证。