LoRa波形参数_lora信号波形

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前言

  本文介绍LORA波形应用于无线应用场景下的相关说明设置，分为两部分包括基础部分和进阶设计部分。

  参考《AN1200.13》

一、LORA调制

  LORA使用的是宽带线性频率调制脉冲的方式，即，在一段时间内频率上升或下降来编码信息。这种方式的优点是：得益于扩频技术而大幅提高了接收灵敏度，并且提高了发送方和接收方的频率误差容忍度。

二、接收灵敏度

  室温下，接收灵敏度计算公式：$$S=-174+10lo{g}_{10}BW+NF+SNR$$  其中“-174”为大自然基地噪声密度，只收接收端环境温度影响。单位为dBm/Hz；“BW”为接收机带宽；“NF”是接收机的噪声系数，只受接收机硬件影响；“SNR”为最小信噪比解调门限，由LORA波形决定。

三、信噪比和扩频因子

  扩频因子的基本概念是信息的每一位编码在多片上，在LORA调制中数据速率与片速率的关系，$$R_c=2^{SF}{R}_b$$其中“SF”为扩频因子。
  
  “SNR”是最小解调信噪比，由LORA波形决定。前向纠错（FEC）技术和扩频技术相结合可以提高最小解调信噪比。下表为一些常规调制方式和LORA调制的最小解调信噪比。

  扩频因子直接影响着数据包传输的持续时间。在250kHz固定带宽下，扩频因子对传输时间、接收灵敏度的影响如下表。

四、带宽和码片速率

  设计中一个重要问题是，选择合适的带宽和扩频因子，决定了数据传输时间。一位代表多个码片，意味着需要用比原来更高的码片速率，也就需要提高带宽。

  LoRa调制以码片速率发送扩展数据流，该码片速率为每秒每赫兹的码片带宽。因此，125kHz的LoRa带宽对应于125kcps的码片速率。

  前面灵敏度计算公式可得，“BW”会增加接收机信道内的噪声，从而降低接收灵敏度。这意味着对于给定扩频因子，可以选择使用窄带宽，以最大程度提高灵敏度。但同时增加了传输时间。

  固定扩频因子，改变带宽对应的传输持续时间和接收灵敏度如下表（有效载荷10byte）。

五、前向纠错

  LoRa波形采用一种前向纠错（FEC）的形式，该形式允许恢复由于干扰所导致的信息比特。这需要在发送数据包中附加编码少量开销。根据所选的编码率，所对应的灵敏度和丢包率图表如下（SF=7，BW=125kHz，13Byte Payload）。

  编码率影响传输时间表格如下（SF=10，BW=250kHz）：

六、LORA包格式和空口传输时间

  为了精确计算空口传输时间，公式如下$$T_{sym}=\frac{2^{SF}}{BW}$$
  数据包的构成如下：
  所有调制解调器配置的共同点是前导码序列，其持续时间为$$T_{preamble}=(n_{preamble}+4.25)Tsym$$  其中“n(preamble)”为前导码符号数。

$$payloadSymbNb=8+max(ceil(\frac{8PL-4SF+28+16-20H}{4(SF-2DE)})(CR+4),0)$$

  相关变量：

• “PL”是有效载荷字节数；
• “SF”是扩频因子；
• “H=0”时header使能，“H=1”时不存在header；
• “DE=1”时低速率优化使能，“DE=0”时禁止；
• “CR”编码率从1到4；

  $$T_{payload}=payloadSymbNb(Tsym)$$
  $$T_{packet}=T_{preamble}+T_{payload}$$

  在这里我们可以看到，在窄带状态下，LoRa数据包的持续时间可能很大。 为了避免由于温度变化或运动引起的晶体参考振荡器漂移问题，使用了低数据速率优化位。 特别是对于125 kHz带宽和SF = 11和12，这会增加少量开销，以提高LoRa数据包时间范围内参考频率变化的鲁棒性。

七、参数程序接口