1. Загальні відомості
У цьому керівництві наведені основні відомості, необхідні для оцінки доцільності застосування LoRa-модему в проектованому радіотехнічному виробі. Опис конструктивних параметрів розбите на два розділи: в одному розглядаються основні параметри, а в іншому - додаткові.
2. ПРИНЦИПИ ПРОЕКТУВАННЯ ПРИСТРОЇВ З ВИКОРИСТАННЯМ МОДУЛЯЦІЇ LoRa
2.1. Метод модуляції LoRa
LoRa (Long Range) - це схема модуляції з розширенням спектра, в якій дані кодуються широкосмуговими ЛЧМ-імпульсами з частотою, що збільшується або зменшується на деякому часовому інтервалі. У цього підходу дві основні переваги: значне підвищення чутливості приймача за рахунок розширення спектра і низька критичність до розладу по частоті між приймачем і передавачем. Щоб краще зрозуміти принципи проектування радіотехнічних пристроїв з використанням модуляції в форматі LoRa, потрібно коротко розглянути чинники, що впливають на чутливість приймача.
2.2. чутливість приймача
Чутливість радіоприймача при кімнатній температурі дається наступною формулою:
Перший доданок обумовлено тепловим шумом, а саме в 1 Гц смуги частот, і вплинути на нього можна тільки шляхом зміни температури приймача. Другий доданок, BW, описує смугу частот приймача. NF - це коефіцієнт шуму приймача, який постійний для конкретної апаратної реалізації. Нарешті, SNR - це потрібне ставлення сигнал-шум для застосовуваної схеми модуляції. Конструктивними параметрами для проектувальника радіоапаратури з використанням модуляції LoRa є ставлення сигнал-шум і смуга частот приймача.
2.3. Відношення сигнал-шум і коефіцієнт розширення спектра
Основна суть модуляції з розширенням спектра полягає в тому, що кожен біт даних кодується декількома елементами сигналу, або чіпами (від англ. Chip). Співвідношення між швидкістю передачі даних Rb і чиповой швидкістю Rc (швидкістю передачі елементів сигналу) для модуляції LoRa задається наступною формулою:
Тут SF - це коефіцієнт розширення спектра.
SNR - це найменше значення відношення потужності корисного сигналу до потужності шуму, при якому можлива демодуляция. Власні переваги методу модуляції LoRa укупі в попереджувальних корекцією помилок і розширенням спектра дозволяють значно підвищити відношення сигнал-шум. Приклади значень відносини сигнал-шум при традиційній і LoRa-модуляції наведені в таблиці нижче. Чим нижче цей показник, тим більш чутливим буде приймач. Негативні значення вказують на можливість приймати сигнал нижче рівня власних шумів приймача:
З уявлення одного біта даних декількома чіпами слід, що коефіцієнт розширення спектра безпосередньо позначається на тривалості пакета LoRa. Нижче показано, як коефіцієнт розширення спектра впливає на чутливість приймача і тривалість пакета при фіксованій смузі частот в 250 кГц.
2.4. Смуга частот і чиповая швидкість
Один з принципових проектних компромісів, на який доводиться йти при виборі коефіцієнта розширення спектра - це вибір співвідношення між тривалістю пакета і займаної смугою частот. Оскільки один біт представлений декількома чіпами, необхідно або розширювати смугу частот, передаючи чіпи на більш високій швидкості, ніж вихідні дані, або залишати смугу незмінною, але витрачати більше часу на передачу інформації.
Чиповая швидкість потоку даних з модуляцією LoRa, виражена в чіпах в секунду (чіп / с), чисельно дорівнює смузі частот сигналу в герцах. Наприклад, смуга частот сигналу LoRa, рівна 125 кГц, відповідає чиповой швидкості 125 кчіп / с.
Формула (1) показує, що розширення смуги частот BW через привнесення додаткового шуму в канал призводить до зниження чутливості приймача. Це означає, що при заданому коефіцієнті розширення спектра проектувальник може або вибрати вузьку смугу частот і максимізувати чутливість ціною збільшення тривалості пакета, або розширити смугу і прискорити передачу, пожертвувавши чутливістю.
Для прикладу візьмемо модем SX1272 з можливістю програмної установки трьох значень смуги частот - 500, 250 або 125 кГц (див. Нижче). (У модему SX1276 смуга частот може встановлюватися в діапазоні від 7,8 до 500 кГц.)
Вплив смуги частот на підсумкову тривалість пакета і чутливість приймача при фіксованому коефіцієнті розширення спектра показано нижче в таблиці 10 для пакета з 10 байтами корисних даних:
За базовим параметрам - смузі частот і коефіцієнту розширення спектра, - можна швидко оцінити доцільність застосування модуляції LoRa в конкретному випадку. Якщо висновок про доцільність позитивне, то далі для оптимізації характеристик проектованого вироби необхідно врахувати ряд інших конструктивних параметрів.
3. ДОДАТКОВІ КОНСТРУКТИВНІ ПАРАМЕТРИ радіоапаратури З ВИКОРИСТАННЯМ МОДУЛЯЦІЇ LoRa
Крім коефіцієнта розширення спектра і смуги частот, є ще інші конструктивні параметри, які проектувальник повинен враховувати при реалізації каналу зв'язку з модуляцією LoRa. Особливо вони важливі при оптимізації конструкції за такими параметрами, як стійкість і тривалість передачі.
3.1. Упереджувальний корекція помилок
У LoRa-модемі використовується один з різновидів упреждающей корекції помилок, яка дозволяє відновлювати біти даних, спотворені через перешкоди. Вона вимагає внесення невеликої надмірності, пов'язаної з додатковим кодуванням даних в переданому пакеті. Наведене нижче сімейство кривих демонструє зростання стійкості до помилок в присутності виключно теплового шуму в залежності від обраної швидкості коду.
Але реальний виграш від попереджувальної корекції помилок можна отримати в умовах імпульсних перешкод. Якщо в каналі зв'язку очікуються перешкоди такого роду, доцільно розглянути можливість застосування попереджувальної корекції помилок.
У наведеній нижче таблиці показано, як зростання швидкості коду впливає на тривалість пакета при фіксованій смузі частот 250 кГц і коефіцієнті розширення спектра, що дорівнює 10.
3.2. апаратна реалізація
Схема включення радіочастотного тракту приймача також впливає на чутливість приймача, а режим заголовка - на тривалість пакета. Вплив режиму заголовка описується в розділі 4.
Модеми SX1272, SX1273, SX1276, SX1277 і SX1278 передбачають дві схеми включення радіочастотного тракту, які показані на малюнку нижче. Оптимальною чутливості (за рахунок зниження коефіцієнта шуму NF у формулі (2) можна домогтися шляхом поділу передавального і приймального трактів, використовуючи роздільні антени або одну антену і радіочастотний комутатор.
3.3. Режим оптимізації для низьких швидкостей передачі даних і режим заголовка
Останні два чинники, від яких залежить тривалість пакета - це режим роботи модему і встановлені в ньому параметри передачі пакета. Щоб усвідомити їх вплив, необхідно розглянути формат пакета LoRa.
4. ФОРМАТ І ТРИВАЛІСТЬ ПАКЕТУ LoRa
Виходячи з вищесказаного, щоб ефективно дотримати конструктивні обмеження нормативно-законодавчого та системотехнического характеру на тривалість пакета і чутливість приймача, необхідно мати можливість розрахувати тривалість пакета для заданої конфігурації модему. Відповідні точні формули наведені нижче.
Для розрахунку тривалості пакета зручно визначити параметр «тривалість символу» (Tsym). Це час, за яке передається 2 SF чіпів на даній чиповой швидкості. Згадуючи, що чиповая швидкість визначається смугою частот, маємо:
Як випливає з наступного малюнка, пакет складається з декількох елементів.
Загальною для всіх конфігурацій модему є послідовність символів преамбули, тривалість якої задається наступною формулою:
Тут npreamble - це програмно задану кількість символів преамбули. Кількість символів, що складають корисні дані і заголовок пакета, дається наступною формулою:
Параметри формули:
• PL - кількість байт корисних даних.
• SF - коефіцієнт розширення спектра.
• H = 0, коли передача заголовка включена, і H = 1, коли заголовок відсутній.
• DE = 1, коли оптимізація для низьких швидкостей передачі даних включена, і DE = 0, коли вона відключена.
• CR - швидкість коду (від 1 до 4).
Звідси випливає, що якщо необхідно зменшити тривалість пакета, а його довжина в символах відома заздалегідь, то можна видалити заголовок. Тривалість передачі корисних даних в цьому випадку буде дорівнює тривалості символу, помноженої на кількість символів корисних даних:
Тривалість пакета дорівнює просто сумі тривалості передачі преамбули і корисних даних:
Звідси можна бачити, що в вузькополосному режимі тривалість пакета LoRa може виявитися чималою.
Щоб уникнути проблем, пов'язаних з дрейфом кварцового генератора опорної частоти через коливання температури або переміщення пристрою, використовується біт оптимізації для низьких швидкостей передачі даних. Зокрема, при смузі частот 125 кГц і коефіцієнті розширення спектра SF = 11 і 12 це вносить невелику надмірність з метою підвищення стійкості до коливань опорної частоти на часовому проміжку передачі пакета LoRa.
5. КАЛЬКУЛЯТОР РОБОЧИХ ПАРАМЕТРІВ LoRa-модему
Щоб спростити прийняття конструкторських рішень, пов'язаних із застосуванням LoRa-модему, було створено програмний засіб, що дозволяє швидко оцінити робочі параметри модему LoRa, а також результуючі тривалість пакета і чутливість приймача. Цей засіб можна завантажити з сайту www.semtech.com.
На наступній ілюстрації показано головне вікно калькулятора робочих параметрів модему LoRa. Тут ми бачимо, що всі згадані вище конструктивні параметри можна змінювати, розраховуючи результуючі тривалість пакета і чутливість приймача без необхідності вручну обчислювати параметри формул, наведених в цьому керівництві і в технічних характеристиках модему.
Для зручності на малюнку проставлені числові мітки - номери глав даного керівництва, де обговорюється вказаний параметр. Відомості про інші параметри см. В технічних характеристиках модему.
З питань отримання зразків, технічної підтримки і придбання продукції звертайтеся до офіційного дистриб'ютора Semtech Corporation в Росії - Компанії КВЕСТ.
