了解 LoRa 芯片、啁啾、符号和比特之间的关系

电器工程解调数字调制编码劳拉

2022-01-07 09:47:53

我试图了解 LoRa 芯片、“啁啾”、符号和位之间的实际关系。我指的不仅仅是与各种比率相关的方程式，而是这些事物在数量上的关系。

Semtech 文档AN1200.22 LoRa™ Modulation Basics包含一些与各种速率相关的基本方程式和定义。据我所知，码片速率 CR 在数值上总是等于所选带宽。因此，如果所选带宽 = 125 kHz，则码片速率为 125,000 码片/秒。然后，符号 BW 可与码片速率互换使用。

扩频因子与码片和符号有关。\$2^{SF} 筹码 = 1 \ 符号\$。所以符号率 SR 与码片率（如 BW）有关：

\$SR = \frac{BW}{2^{SF}}\$

在 LoRa 调制的实现中，每 4 位数据将被编码为 5、6、7 或 8 位作为前向纠错的一种形式，通过设置编码率 CR = 1、2 来选择， 3, 4. 所以用户数据比特的实际速率必须减少以下因素：

\$BR_{用户} = BR\frac{4}{4+CR}\$。

到目前为止，我认为我所了解的内容到此结束。我不知道实际上是什么筹码或符号。例如，带宽和原始比特率之间的最终关系中有一个额外的SF术语，我不明白。

\$BR = SF\frac{BW}{2^{SF}}\ = SF \cdot SR\$

这表示一个符号相当于 SR 位，或 LoRa 可用设置中的 6 到 12 位之间。那是对的吗？

我在这里找到了（另外，在 13:00 之后观看此视频 编辑： 最近和更深入谈话的视频）将啁啾率定义为频率 df/dt 的一阶时间导数。这会给它单位\$time^{-2}\$但那里显示的表达式不同。也许这是完全扫描（啁啾）的速率，而不是频率的变化率？

上图：来自这里的屏幕截图。

问题：芯片和“啁啾”之间的关系是什么 - 可以在频谱图中直观地区分芯片 - 可以看到每个芯片的开始和结束位置吗？此外，每个符号确实有 6 到 12 位吗？

下面是一些 LoRa 信号的频谱图。看起来在每个啁啾期间，每个标称啁啾周期大约平均有一个瞬时频率变化，但我不知道这是否普遍适用。

上图： LinkLabs 的 LoRa 频谱图：“什么是 LoRa？” .

上图：使用 RTL-SDR 解码 LoRa IOT 协议的LoRa 频谱图。

上图：Reversing LoRa (PDF)的屏幕截图。

上图：来自解码 LoRa - 从这里裁剪。

2个回答

LoRa 是一种基于啁啾的扩频调制。符号是啁啾。_

为了产生符号/啁啾，调制解调器调制振荡器的相位。调制解调器每秒调整相位的次数称为码片速率，它定义了调制带宽。芯片速率是石英频率 (32 MHz) 的直接细分。

Example for 125 kHz LoRa:

125 kHz modulation bandwidth
    = 125000 chips per second
    = 8 µs per chip

modulation bandwidth < occupied spectral bandwidth < channel spacing (typ 200 kHz)

基本啁啾只是从 fmin 到 fmax（向上啁啾）或 fmax 到 fmin（向下啁啾）的斜坡。携带数据的啁啾是被循环移位的啁啾，并且这种循环移位携带信息。

扩频因子定义了两个基本值：

每个符号包含的筹码数量为\$ 2^{SF} \$
该符号可以编码的原始比特数是SF

原因是一个长度为 N 个码片的符号可以从 0 循环移位到 N-1 个位置。“参考”位置由 LoRa 帧开始处的未移位符号给出。所以这个循环移位可以携带 log2(N) 位信息。如果 N 是 2 的幂，则数学运算很好。

Example for SF 7

A SF 7 symbol is 128 chips long
    = 1.024 ms @125kHz modulation bandwidth
    = 512 µs @250kHz modulation bandwidth
    = 256 µs @500kHz modulation bandwidth

A 128-chip long symbol can by cyclically shifted from 0 to 127 positions, and that shift
carries 7 bits of raw information:
    ~ 6.8 kbps raw @125kHz modulation bandwidth
    ~ 13.7 kbps raw @250kHz modulation bandwidth
    ~ 27.3 kbps raw @500kHz modulation bandwidth

由于噪声，这种调制/解调过程会引入错误，这就是添加纠错码的原因。对于典型的有效载荷，在调制啁啾之前添加 25% (CR1) 或 50% (CR2) 的冗余。在实践中，用户发送的数据也被混合以获得更好的纠错性能。

原始数据速率和纠错定义了标称数据速率。要获得设备可以传输的有效最大数据速率，您必须考虑：

您发射的频段的法定占空比限制（如果适用）
每个发送帧的 LoRa 前导码、标头和 CRC 开销（发送短帧时有显着影响）
每帧的协议开销（对于短帧也非常重要）

编辑：

我添加了（红色）啁啾的边界，以便更容易理解循环移位的影响。除了前导码末尾的一些特殊符号表示帧开始外，LoRa 帧中的所有啁啾长度完全相同。频率似乎“跳跃”了很多，但没有相位不连续性会导致频带周围出现大量不需要的谐波。

定义

那么，什么是bit、symbol、chip和chirp，它们是什么意思？

少量

比特是信息的最小单位。大多数时候，我们尝试将这些位从发送方 (TX) 发送到接收方 (RX)。

为了将这些位发送到 RX，它们必须通过某种介质才能到达目的地。它可以是任何金属、空气、水、光纤等，任何你能想象到的介质。
它们各有优缺点，也各有特点，但我们大多使用它们，因为我们需要弥补其他媒体的不足。
使用光纤是因为与使用空气作为介质的无线传输相比，它们在传输信号方面的衰减要小得多，而且如果我们谈论的是长距离，与基于铜线的通信相比，它们的成本要低得多。
这种介质的缺点是你不能通过它传输能量，这将毫无意义。最后你不能重复使用这种电源，所以如果你想在传输信息的同时为某些东西供电，你将不得不使用铜。
比特率是每个时间单位传输或处理的比特数。

$$Bit\rate = R_b$$

象征

如果您想通过这些不同类型的媒体进行传输，您必须以某种方式描述和传输这些信息，使其到达目的地。
一个符号代表一个或多个数据位，它可以是一种波形，也可以是一个代码。
符号率是单位时间内符号变化的次数，可以等于或小于比特率。符号率也称为波特率和调制率。

这是一个例子，存在什么样的线路代码，以及什么样的调制。

$$符号\汇率 = R_s$$

芯片

芯片是扩频传输上下文中数据序列的基本二进制元素，为了避免混淆，他们将其命名为与比特不同。

扩频是让您的数据通过带宽传播的想法，这样传输将更加冗余，更不容易受到干扰。如果您想在不使用扩频的情况下达到相同的可靠性，则必须以相对较高的功率在窄带中进行传输。这会干扰其他传输，并违背电信的全部观点，即您成功传输信息，而不会打扰其他任何人的传输。
码片率是单位时间发送或接收的码片数，远大于符号率，即多个码片可以表示一个符号。

$$筹码\费率 = R_c$$

符号率低于或等于比特率，码片率高于符号率，也高于比特率。

在第 9-10 页的Semtech AN1200.22 文档中，使用了以下公式：

$$R_b = SF \cdot \cfrac{BW}{2^{SF}}\qquad R_s = \cfrac{BW}{2^{SF}}\qquad R_c = R_s\cdot 2^{SF}$$

前两个方程可以连接起来，它将是：\$R_b = SF\cdot R_s\$，如果你把它代入第三个方程，你会得到：\$R_c = \cfrac{R_b}{SF} \cdot 2^{SF}\$。
您不能将扩展因子设为零，因为您将除以零。作为扩展因子，您可以输入的最小数字是 1，在\$100\ bps\$的情况下，码片速率将为\$200\ cps\$，因此它成立，即：

$$R_c > R_b > R_s$$

如果您对其他使用芯片概念的扩频技术感兴趣，请查看访问方法码分多址。

啁啾

啁啾是频率增加（向上啁啾）或降低（向下啁啾）的信号。在 QPSK、BPSK 和许多类型的数字调制中，它们使用正弦波作为符号，但在 CSS 中它们使用啁啾，它不是随时间改变电压/功率，而是随时间改变频率。

- 待续 -
我需要修改芯片部分的答案，因为从两个文档（1、2）计算东西并没有给出相同的结果，并且在视频中仍然不清楚我们将什么作为CSS 调制信号中的芯片或符号。

资源

进一步阅读

数字传输：VisSim/Comm（信号和通信技术）的模拟辅助介绍

其它你可能感兴趣的问题

上一篇晶体和负载电容下一篇手机作为微控制器