林鴻燕

（廣東省電子信息高級技工學(xué)校 廣東 廣州 510000）

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，使得遠距離通信變得可能，但是，偏遠地區(qū)在實現(xiàn)遠程通信的過程中需要耗費大量資金，且功耗普遍偏高。因此，研究遠距離傳輸，其首要任務(wù)是提高發(fā)射功率，但此舉導(dǎo)致本就偏高的功耗急劇增加，所以，遠程通信與功耗控制是一對矛盾體[1]?；诖耍疚牟捎肧x1278芯片專供的LoRa擴頻通信技術(shù)研發(fā)遠程無線低功耗射頻傳輸模塊，期望實現(xiàn)射頻IC的低功耗遠程無線傳輸，以此提高傳輸距離和最大限度的縮減功耗。

2 遠程無線低功耗傳輸關(guān)鍵技術(shù)

LoRa擴頻通信調(diào)制本質(zhì)是低信噪比下無線通信頻率放大技術(shù)，即基于擴頻調(diào)制和向前糾錯的融合，借助寬帶線性調(diào)頻脈沖實現(xiàn)對擴頻的調(diào)制，借助限定時間內(nèi)的差異調(diào)頻脈沖實現(xiàn)對程序的編碼處理[2]。歐洲以前主要采用FSK調(diào)制，其收發(fā)控制器的有效通信距離為1～2km。在采用LoRa擴頻通信調(diào)制后可有效減少FSK調(diào)制中繼器的使用，其晶振大幅度降低，靈敏度可以達-137dBm。LoRa調(diào)制技術(shù)能對不高于噪音水平19.5dB的信號做解調(diào)處理，且運行在物理層面上，可兼容各種協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（網(wǎng)型、星型、點對點等）[3]。

LoRa擴頻調(diào)制遠程通信需要知道彼此的擴頻因子，該因子具有對應(yīng)性傳輸，而差異因子的關(guān)系則為彼此正交。此外，信噪比要有所控制，確保在接收端能正常的對信號進行解調(diào)。而LoRa調(diào)制是基于信噪比下對信號接受能力提升的有效保障，即對接收器內(nèi)的靈敏度、鏈路預(yù)算等予以提升。當(dāng)使用高擴頻因子時，借助調(diào)頻技術(shù)可對占用量大的頻譜帶寬數(shù)據(jù)予以發(fā)出。處在遠處的接收端在接受到無線電波后，經(jīng)由頻譜分析設(shè)備對信號進行收集，這與無線電波內(nèi)所具有的噪音無關(guān)，但與有用信號是有直接關(guān)聯(lián)的。所以，經(jīng)由此種特性可在接受信號中提取有用信號[4]。

其次是前向糾錯機制。在對LoRa無線鏈路進行設(shè)置時，在關(guān)注擴頻因子的基礎(chǔ)上還要對其他要素予以優(yōu)化處理，尤其是滯空時間和LoRa傳輸鏈路干擾魯棒性的優(yōu)化。若要確保傳輸LoRa調(diào)制的可靠性，必須要進行前向糾錯，目的是準許對被干擾信號得以恢復(fù)。盡管在對數(shù)據(jù)做編碼時使用前向糾錯技術(shù)要有必要的成本耗費，但使用之后所獲取到的數(shù)據(jù)可較為容易的對錯碼予以修正[4]。此種機制能處理掉因多徑衰落而導(dǎo)致的突發(fā)性誤碼問題，從而實現(xiàn)低功耗。表1表示帶寬為250kHz、擴頻因子為10的情況下，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)擾動時，編碼率的增加對滯空時間的影響。

表1 編碼率對滯空時間的影響

由表1可見，當(dāng)編碼率升高時，滯空時間隨之變大。這代表接受端要耗費更多的時間對誤碼予以修正。

此外，將信號帶寬放大，雖然能提升數(shù)據(jù)傳輸速率，但會導(dǎo)致靈敏度降低。因此，在具體設(shè)計時，要充分考慮信道所處的環(huán)境以擇取最佳帶寬，從而實現(xiàn)優(yōu)化配置，確保通信質(zhì)量[5]。與窄帶調(diào)頻制相比，寬帶所表現(xiàn)出的直接序列調(diào)制是存有差異的，借助LoRa調(diào)制，能對寄存器做最優(yōu)設(shè)置，以此改善LoRa調(diào)制內(nèi)的帶寬和頻率，最終使其適應(yīng)模式的運行[6]。

在對擴頻因子選擇時，設(shè)計者要權(quán)衡好滯空時間和帶寬的關(guān)系，處理好信道中額外噪聲問題，避免增加噪聲導(dǎo)致的靈敏度降低問題[7]。

本文選取Semtech公司的SX1278模塊，本模塊中含有三組可編帶寬，即500kHz、250kHz、125kHz。設(shè)定擴頻因子為1、編碼率為2為定值，研究10byte大的數(shù)據(jù)負載包，對應(yīng)的滯空時間和靈敏度的關(guān)系見表2。

表2 不同帶寬下滯空時間和靈敏度

由表2可知，經(jīng)由擴頻因子和帶寬數(shù)值，可完成對LoRa適配狀態(tài)的考量[8]。

3 硬件模塊及上位機設(shè)計實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

圖1為遠程無線低功耗收發(fā)控制器總體設(shè)計方案。這便是設(shè)計圖的工作原理。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

由圖1可知，本方案外接通信接口包含兩個接口（USB和GPIO），經(jīng)由此接通電腦，實現(xiàn)通信。方案中的MCU作為主控制器，按照PC輸送的命令設(shè)置RF，且對經(jīng)由PC輸送進來的數(shù)據(jù)借助射頻IC輸出，再對接收到的信息上傳至PC上位機。

3.2 晶振選型

晶振主要考慮競爭頻率容差和加速度敏感度等兩個因素。對于前者，LoRa調(diào)制技術(shù)對收發(fā)機之間的初始頻率誤差和符號率容差不敏感。當(dāng)鏈路PER為10%時，頻差為+30KH或-30KH，此時LoRa調(diào)制能夠接受帶寬+25%或者-25%上下的頻率容差。此種特性雷同于某些高鏈路預(yù)算系統(tǒng)。對于后者，可借助非零加速靈敏度晶振實現(xiàn)鎖相環(huán)載波（圖2）。

圖2 加速靈敏度晶振的鎖相環(huán)載波頻譜

由圖2的載波頻譜可知，晶振加速靈敏度會影響到載波頻譜，即晶振加速度會造成瞬時頻率的變化。所以，要選取較低靈敏度的晶振，且對其數(shù)值控制在32MHz內(nèi)。如表3，共有四種滿足要求的晶振，而在具體運用中是使用第一種。

表3 可選擇晶振

此外，核心控制器選取STM32L系列的STM32L51CBT6芯片，射頻IC選取Sx1278。

3.3 濾波器選型及設(shè)計

無線射頻前端模塊如圖3所示。

圖3 無線射頻頻前端模塊

由圖3可知，經(jīng)由天線獲取的信號要做聲表面波過濾，之后再經(jīng)由射頻IC Sx1278做解調(diào)處理，解調(diào)后的信號再經(jīng)由LV濾波器傳輸?shù)絉F射頻段，最終通過天線傳輸出去。此過程需要對獲取的信號做干擾處理，以此提升無線模塊的抗干擾能力。

（1）發(fā)射電路中濾波器選型

經(jīng)由射頻IC Sx1278所傳輸?shù)男盘枺渲行念l率是433MHz，需在系統(tǒng)中接入一個濾波器，以此實現(xiàn)對433MHz上下的信號經(jīng)由射頻開關(guān)和天線而放射出去。而要獲取較好的效果，則要使用聲面濾波器，其型號是ACTF4006，可通過的中心頻率為433.92MHz。此款濾波器所能達到的最低插入損耗為2.5dB。當(dāng)損耗為3dB時，帶通頻寬最高為750KMz。

（2）接收電路中濾波器設(shè)計

設(shè)計接收電路中的濾波器時，選用電容和電感搭建的低通橢圓濾波器，其所依托的軟件是Advanced Design System仿真軟件，按照射頻IC中的工作頻率433MHz、阻抗50歐姆，在ADS的選用上，使用的是Filter DG-ALL下的低通濾波器組件，圖4為通帶截止頻率Fp=440MHz、阻帶截止頻率Fs=450MHz的低通橢圓濾波器。

圖4 接收電路橢圓濾波器原理圖

在實際使用過程中，低通橢圓濾波器中的電感、電容并不存在，因此，根據(jù)本文選取的工作頻率433MHz，經(jīng)過ADS仿真后，可以得到接收信號后的S11、S12分別為-4.156dB、-2.113dB。

4 模塊測試

對此模塊的測試，主要是從兩個方面進行，即低功耗和遠程。圖5是使用直流電源和萬能表以完成對功耗的測定。

在具體的測試中，是使用3.3V直流電壓。之所以不使用SV供電，原因是USB接口主要為PC接入提供方便，進而實現(xiàn)驅(qū)動程序中對無線模塊和其上的MCU做通信，而非主供電作用。

圖5 無線模塊功耗測試示意圖

4.1 接收靈敏度測試

此項測試在室內(nèi)進行，在收發(fā)中間安置干擾隔離，所用電流為直流電，所以，當(dāng)將收發(fā)端距離和干擾隔離擴大至PER＞0，在接收端將噪音功率設(shè)定為-94.42dBm，信號頻率峰值設(shè)定在-83.42dBm，測試結(jié)果如圖6、圖7所示?；谏鲜龅臄?shù)據(jù)，按照下式（1）可得出接收端的靈敏度值，即-126.96dBm。

圖6 接收靈敏度測試接收端頻譜圖

圖7 接收靈敏度測試接收端頻譜圖

4.2 無線模塊通信性能測試

（1）頻譜儀輸出功率測試

對頻譜設(shè)備做輸出功率的測試，先要對設(shè)備的程序進行編程，從而實現(xiàn)最大輸出功率。然后對測定結(jié)果進行觀察，即圖8，可以得出，借助小米充電寶為供電方式且在中心頻率為434.3MHz下，其所輸出的最大功率為18.50dBm。經(jīng)由下式（2）可算出此模塊中設(shè)計的輸出功率為70.80mW。這和期望值100mW是有差距的。

圖8 頻譜測試圖

圖9 示波器測試圖

（2）示波器波形輸出測試

借助示波器對無線模塊的波形做深度測試，可判定出其所需波段是否符合要求。將無線模塊中的SMA接入示波器，經(jīng)檢測后得出結(jié)果如圖9，無線模塊在430.202MHz頻段輸出發(fā)射信號的波形圖。

5 結(jié)語

本文設(shè)計一種遠程無線低功耗收發(fā)控制器模塊，使用LoRa擴頻調(diào)制技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)總方案的遠程低功耗。實驗測試結(jié)果表明此收發(fā)控制器模塊能夠?qū)崿F(xiàn)距離為3154.46m的無丟包傳輸和4851.13m的無斷線傳輸，且最低待機功耗為11.62mW，發(fā)射功耗為401.71mW，接收功耗為90.09mW。最終達到了-126.95dBm的接收靈敏度。

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