遠(yuǎn)程無(wú)線低功耗收發(fā)控制器設(shè)計(jì)

林鴻燕

（廣東省電子信息高級(jí)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(yuǎn)距離通信變得可能，但是，偏遠(yuǎn)地區(qū)在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信的過(guò)程中需要耗費(fèi)大量資金，且功耗普遍偏高。因此，研究遠(yuǎn)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(yuǎn)程通信與功耗控制是一對(duì)矛盾體[1]。基于此，本文采用Sx1278芯片專供的LoRa擴(kuò)頻通信技術(shù)研發(fā)遠(yuǎn)程無(wú)線低功耗射頻傳輸模塊，期望實(shí)現(xiàn)射頻IC的低功耗遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸，以此提高傳輸距離和最大限度的縮減功耗。

2 遠(yuǎn)程無(wú)線低功耗傳輸關(guān)鍵技術(shù)

LoRa擴(kuò)頻通信調(diào)制本質(zhì)是低信噪比下無(wú)線通信頻率放大技術(shù)，即基于擴(kuò)頻調(diào)制和向前糾錯(cuò)的融合，借助寬帶線性調(diào)頻脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)頻的調(diào)制，借助限定時(shí)間內(nèi)的差異調(diào)頻脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kuò)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(dá)-137dBm。LoRa調(diào)制技術(shù)能對(duì)不高于噪音水平19.5dB的信號(hào)做解調(diào)處理，且運(yùn)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)等）[3]。

LoRa擴(kuò)頻調(diào)制遠(yuǎn)程通信需要知道彼此的擴(kuò)頻因子，該因子具有對(duì)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(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。而LoRa調(diào)制是基于信噪比下對(duì)信號(hào)接受能力提升的有效保障，即對(duì)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(kuò)頻因子時(shí)，借助調(diào)頻技術(shù)可對(duì)占用量大的頻譜帶寬數(shù)據(jù)予以發(fā)出。處在遠(yuǎn)處的接收端在接受到無(wú)線電波后，經(jīng)由頻譜分析設(shè)備對(duì)信號(hào)進(jìn)行收集，這與無(wú)線電波內(nèi)所具有的噪音無(wú)關(guān)，但與有用信號(hào)是有直接關(guān)聯(lián)的。所以，經(jīng)由此種特性可在接受信號(hào)中提取有用信號(hào)[4]。

其次是前向糾錯(cuò)機(jī)制。在對(duì)LoRa無(wú)線鏈路進(jìn)行設(shè)置時(shí)，在關(guān)注擴(kuò)頻因子的基礎(chǔ)上還要對(duì)其他要素予以優(yōu)化處理，尤其是滯空時(shí)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(jìn)行前向糾錯(cuò)，目的是準(zhǔn)許對(duì)被干擾信號(hào)得以恢復(fù)。盡管在對(duì)數(shù)據(jù)做編碼時(shí)使用前向糾錯(cuò)技術(shù)要有必要的成本耗費(fèi)，但使用之后所獲取到的數(shù)據(jù)可較為容易的對(duì)錯(cuò)碼予以修正[4]。此種機(jī)制能處理掉因多徑衰落而導(dǎo)致的突發(fā)性誤碼問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)低功耗。表1表示帶寬為250kHz、擴(kuò)頻因子為10的情況下，當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)擾動(dòng)時(shí)，編碼率的增加對(duì)滯空時(shí)間的影響。

表1 編碼率對(duì)滯空時(shí)間的影響

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

此外，將信號(hào)帶寬放大，雖然能提升數(shù)據(jù)傳輸速率，但會(huì)導(dǎo)致靈敏度降低。因此，在具體設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮信道所處的環(huán)境以擇取最佳帶寬，從而實(shí)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(duì)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(yùn)行[6]。

在對(duì)擴(kuò)頻因子選擇時(shí)，設(shè)計(jì)者要權(quán)衡好滯空時(shí)間和帶寬的關(guān)系，處理好信道中額外噪聲問(wèn)題，避免增加噪聲導(dǎo)致的靈敏度降低問(wèn)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(kuò)頻因子為1、編碼率為2為定值，研究10byte大的數(shù)據(jù)負(fù)載包，對(duì)應(yīng)的滯空時(shí)間和靈敏度的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 不同帶寬下滯空時(shí)間和靈敏度

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

3 硬件模塊及上位機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

圖1為遠(yuǎn)程無(wú)線低功耗收發(fā)控制器總體設(shè)計(jì)方案。這便是設(shè)計(jì)圖的工作原理。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

由圖1可知，本方案外接通信接口包含兩個(gè)接口（USB和GPIO），經(jīng)由此接通電腦，實(shí)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(duì)經(jīng)由PC輸送進(jìn)來(lái)的數(shù)據(jù)借助射頻IC輸出，再對(duì)接收到的信息上傳至PC上位機(jī)。

3.2 晶振選型

晶振主要考慮競(jìng)爭(zhēng)頻率容差和加速度敏感度等兩個(gè)因素。對(duì)于前者，LoRa調(diào)制技術(shù)對(duì)收發(fā)機(jī)之間的初始頻率誤差和符號(hào)率容差不敏感。當(dāng)鏈路PER為10%時(shí)，頻差為+30KH或-30KH，此時(shí)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(duì)于后者，可借助非零加速靈敏度晶振實(shí)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(huì)影響到載波頻譜，即晶振加速度會(huì)造成瞬時(shí)頻率的變化。所以，要選取較低靈敏度的晶振，且對(duì)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(yùn)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(jì)

無(wú)線射頻前端模塊如圖3所示。

圖3 無(wú)線射頻頻前端模塊

由圖3可知，經(jīng)由天線獲取的信號(hào)要做聲表面波過(guò)濾，之后再經(jīng)由射頻IC Sx1278做解調(diào)處理，解調(diào)后的信號(hào)再經(jīng)由LV濾波器傳輸?shù)絉F射頻段，最終通過(guò)天線傳輸出去。此過(guò)程需要對(duì)獲取的信號(hào)做干擾處理，以此提升無(wú)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?hào)，其中心頻率是433MHz，需在系統(tǒng)中接入一個(gè)濾波器，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)433MHz上下的信號(hào)經(jīng)由射頻開(kāi)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(hào)是ACTF4006，可通過(guò)的中心頻率為433.92MHz。此款濾波器所能達(dá)到的最低插入損耗為2.5dB。當(dāng)損耗為3dB時(shí)，帶通頻寬最高為750KMz。

（2）接收電路中濾波器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)接收電路中的濾波器時(shí)，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(shí)際使用過(guò)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(guò)ADS仿真后，可以得到接收信號(hào)后的S11、S12分別為-4.156dB、-2.113dB。

4 模塊測(cè)試

對(duì)此模塊的測(cè)試，主要是從兩個(gè)方面進(jìn)行，即低功耗和遠(yuǎn)程。圖5是使用直流電源和萬(wàn)能表以完成對(duì)功耗的測(cè)定。

在具體的測(cè)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序中對(duì)無(wú)線模塊和其上的MCU做通信，而非主供電作用。

圖5 無(wú)線模塊功耗測(cè)試示意圖

4.1 接收靈敏度測(cè)試

此項(xiàng)測(cè)試在室內(nèi)進(jìn)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(kuò)大至PER＞0，在接收端將噪音功率設(shè)定為-94.42dBm，信號(hào)頻率峰值設(shè)定在-83.42dBm，測(cè)試結(jié)果如圖6、圖7所示。基于上述的數(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(cè)試接收端頻譜圖

圖7 接收靈敏度測(cè)試接收端頻譜圖

4.2 無(wú)線模塊通信性能測(cè)試

（1）頻譜儀輸出功率測(cè)試

對(duì)頻譜設(shè)備做輸出功率的測(cè)試，先要對(duì)設(shè)備的程序進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)最大輸出功率。然后對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)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(jì)的輸出功率為70.80mW。這和期望值100mW是有差距的。

圖8 頻譜測(cè)試圖

圖9 示波器測(cè)試圖

（2）示波器波形輸出測(cè)試

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

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種遠(yuǎn)程無(wú)線低功耗收發(fā)控制器模塊，使用LoRa擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總方案的遠(yuǎn)程低功耗。實(shí)驗(yàn)測(cè)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(wú)丟包傳輸和4851.13m的無(wú)斷線傳輸，且最低待機(jī)功耗為11.62mW，發(fā)射功耗為401.71mW，接收功耗為90.09mW。最終達(dá)到了-126.95dBm的接收靈敏度。

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