Руководство разработчика LoRa-модемов SX1272 /3/6/7/8 от компании Semtech

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ     

В этом руководстве приведены основные сведения, необходимые для оценки целесообразности применения LoRa-модема в проектируемом радиотехническом изделии. Описание конструктивных параметров разбито на два раздела: в одном рассматриваются основные параметры, а в другом — дополнительные.

2. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ С ПРИМЕНЕНИЕМ МОДУЛЯЦИИ LoRa

2.1. Метод модуляции LoRa     
LoRa (Long Range) - это схема модуляции с расширением спектра, в которой данные кодируются широкополосными ЛЧМ-импульсами с частотой, увеличивающейся или уменьшающейся на некотором временном интервале. У этого подхода два основных преимущества: значительное повышение чувствительности приемника за счет расширения спектра и низкая критичность к расстройке по частоте между приемником и передатчиком. Чтобы лучше понять принципы проектирования радиотехнических устройств с использованием модуляции в формате LoRa, нужно вкратце рассмотреть факторы, влияющие на чувствительность приемника.

2.2. Чувствительность приёмника 
Чувствительность радиоприемника при комнатной температуре дается следующей формулой:

     Первое слагаемое обусловлено тепловым шумом, приходящимся на 1 Гц полосы частот, и повлиять на него можно только путем изменения температуры приемника. Второе слагаемое, BW, описывает полосу частот приемника. NF - это коэффициент шума приемника, который постоянен для конкретной аппаратной реализации. Наконец, SNR - это потребное отношение сигнал-шум для применяемой схемы модуляции. Конструктивными параметрами для проектировщика радиоаппаратуры с использованием модуляции LoRa являются отношение сигнал-шум и полоса частот приемника.

2.3. Отношение сигнал-шум и коэффициент расширения спектра
Основная суть модуляции с расширением спектра заключается в том, что каждый бит данных кодируется несколькими элементами сигнала, или чипами (от англ. chip). Соотношение между скоростью передачи данных Rb и чиповой скоростью Rc (скоростью передачи элементов сигнала) для модуляции LoRa задается следующей формулой:

     Здесь SF - это коэффициент расширения спектра.
     SNR - это наименьшее значение отношения мощности полезного сигнала к мощности шума, при котором возможна демодуляция. Собственные преимущества метода модуляции LoRa вкупе с упреждающей коррекцией ошибок и расширением спектра позволяют значительно повысить отношение сигнал-шум. Примеры значений отношения сигнал-шум при традиционной и LoRa-модуляции приведены в таблице ниже. Чем ниже это отношение, тем чувствительнее будет приемник. Отрицательные значения указывают на возможность принимать сигнал ниже уровня собственных шумов приёмника. Ниже показано соотношение сигнал шум для различных типов модуляций

     Из представления одного бита данных несколькими чипами следует, что коэффициент расширения спектра непосредственно сказывается на длительности пакета LoRa. Ниже показано, как коэффициент расширения спектра влияет на чувствительность приемника и длительность пакета при фиксированной полосе частот в 250 кГц.

2.4. Полоса частот и чиповая скорость
Один из принципиальных проектных компромиссов, на который приходится идти при выборе коэффициента расширения спектра - это выбор соотношения между длительностью пакета и занимаемой полосой частот. Поскольку один бит представлен несколькими чипами, необходимо либо расширять полосу частот, передавая чипы на более высокой скорости, нежели исходные данные, либо оставлять полосу неизменной, но затрачивать больше времени на передачу информации.

     Чиповая скорость потока данных с модуляцией LoRa, выраженная в чипах в секунду (чип/с), численно равняется полосе частот сигнала в герцах. Например, полоса частот сигнала LoRa, равная 125 кГц, соответствует чиповой скорости 125 кчип/с.

     Формула (1) показывает, что расширение полосы частот BW из-за привнесения дополнительного шума в канал приводит к снижению чувствительности приемника. Это означает, что при заданном коэффициенте расширения спектра проектировщик может либо выбрать узкую полосу частот и максимизировать чувствительность ценой увеличения длительности пакета, либо расширить полосу и ускорить передачу, пожертвовав чувствительностью.

     Для примера возьмем модем SX1272 с возможностью программной установки трех значений полосы частот - 500, 250 или 125 кГц (см. ниже). (У модема SX1276 полоса частот может устанавливаться в диапазоне от 7,8 до 500 кГц.)

     Влияние полосы частот на итоговую длительность пакета и чувствительность приемника при фиксированном коэффициенте расширения спектра показано ниже в таблице 10 для пакета с 10 байтами полезных данных:

     По базовым параметрам - полосе частот и коэффициенту расширения спектра, - можно быстро оценить целесообразность применения модуляции LoRa в конкретном случае. Если заключение о целесообразности положительное, то далее для оптимизации характеристик проектируемого изделия необходимо учесть ряд других конструктивных параметров.

3. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РАДИОАППАРАТУРУ С ПРИМЕНЕНИЕМ МОДУЛЯЦИИ LoRa

Помимо коэффициента расширения спектра и полосы частот, есть еще другие конструктивные параметры, которые проектировщик должен учитывать при реализации канала связи с модуляцией LoRa. Особенно они важны при оптимизации конструкции по таким параметрам, как помехоустойчивость и длительность передачи.

3.1. Упреждающая коррекция ошибок
В LoRa-модеме используется одна из разновидностей упреждающей коррекции ошибок, которая позволяет восстанавливать биты данных, искаженные из-за помех. Она требует внесения небольшой избыточности, связанной с дополнительным кодированием данных в передаваемом пакете. Приведенное ниже семейство кривых демонстрирует рост устойчивости к ошибкам в присутствии исключительно теплового шума в зависимости от выбранной скорости кода.

     Но реальный выигрыш от упреждающей коррекции ошибок можно получить в условиях импульсных помех. Если в канале связи ожидаются помехи такого рода, целесообразно рассмотреть возможность применения упреждающей коррекции ошибок.
     В приведенной ниже таблице показано, как рост скорости кода влияет на длительность пакета при фиксированной полосе частот 250 кГц и коэффициенте расширения спектра, равном 10.

3.2. Аппаратная реализация     

Схема включения радиочастотного тракта приемника также влияет на чувствительность приемника, а режим заголовка - на длительность пакета. Влияние режима заголовка описывается в разделе 4.

     Модемы SX1272, SX1273, SX1276, SX1277 и SX1278 предусматривают две схемы включения радиочастотного тракта, которые показаны на рисунке ниже. Оптимальной чувствительности (за счет снижения коэффициента шума NF в формуле (2) можно добиться путем разделения передающего и приемного трактов, используя раздельные антенны или одну антенну и радиочастотный коммутатор.

3.3. Режим оптимизации для низких скоростей передачи данных и режим заголовка     
Последние два фактора, от которых зависит длительность пакета - это режим работы модема и установленные в нем параметры передачи пакета. Чтобы уяснить их влияние, необходимо рассмотреть формат пакета LoRa.

4. ФОРМАТ И ДЛИТЕЛЬНОСТЬ ПАКЕТА LoRa     

Исходя из вышесказанного, чтобы эффективно соблюсти конструктивные ограничения нормативно-законодательного и системотехнического характера на длительность пакета и чувствительность приемника, необходимо иметь возможность рассчитать длительность пакета для заданной конфигурации модема. Соответствующие точные формулы приведены ниже.

     Для расчета длительности пакета удобно определить параметр «длительность символа» (Tsym). Это время, за которое передается 2SF чипов на данной чиповой скорости. Вспоминая, что чиповая скорость определяется полосой частот, имеем:

     Как явствует из следующего рисунка, пакет состоит из нескольких элементов.

     Общей для всех конфигураций модема является последовательность символов преамбулы, длительность которой задается следующей формулой:

Здесь npreamble - это программно заданное количество символов преамбулы. Количество символов, составляющих полезные данные и заголовок пакета, дается следующей формулой:

     Параметры формулы:
          • PL - количество байт полезных данных.
          • SF - коэффициент расширения спектра.
          • H = 0, когда передача заголовка включена, и H = 1, когда заголовок отсутствует.
          • DE = 1, когда оптимизация для низких скоростей передачи данных включена, и DE = 0, когда она отключена.
          • CR -  скорость кода (от 1 до 4).
     Отсюда следует, что если необходимо уменьшить длительность пакета, а его длина в символах известна заранее, то можно удалить заголовок. Длительность передачи полезных данных в этом случае будет равна длительности символа, умноженной на количество символов полезных данных:

     Длительность пакета равняется просто сумме длительности передачи преамбулы и полезных данных:

     Отсюда можно видеть, что в узкополосном режиме длительность пакета LoRa может оказаться значительной.
     Во избежание проблем, связанных с дрейфом кварцевого генератора опорной частоты из-за колебаний температуры или перемещения устройства, используется бит оптимизации для низких скоростей передачи данных. В частности, при полосе частот 125 кГц и коэффициенте расширения спектра SF = 11 и 12 это вносит небольшую избыточность в целях повышения стойкости к колебаниям опорной частоты на временном промежутке передачи пакета LoRa.

5. КАЛЬКУЛЯТОР РАБОЧИХ ПАРАМЕТРОВ LoRa-модема     

Чтобы упростить принятие конструкторских решений, связанных с применением LoRa-модема, было создано программное средство, позволяющее быстро оценить рабочие параметры модема LoRa, а также результирующие длительность пакета и чувствительность приемника. Это средство можно загрузить с сайта www.semtech.com.

     На следующей иллюстрации показано главное окно калькулятора рабочих параметров модема LoRa. Здесь мы видим, что все упомянутые выше конструктивные параметры можно изменять, рассчитывая результирующие длительность пакета и чувствительность приемника без необходимости вручную вычислять параметры формул, приведенных в этом руководстве и в технических характеристиках модема.

     Для удобства на рисунке проставлены числовые метки - номера глав данного руководства, где обсуждается указанный параметр. Сведения о других параметрах см. в технических характеристиках модема.