LoRa低功耗远程唤醒及扩频调制详解

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描述

看看LoRa扩频调制如何才能实现高噪声系数下的远程唤醒,并且把功耗降至7.2uA。

1、低功耗工作原理

  • CAD模式(Channel Activity Detection):ZM470SX-M模块固有的信道检测功能

  • 扩频调制:LoRa采用的调制技术

两者结合,可在噪声中探测唤醒信号,实现高噪声系数下的远程唤醒。同时通过合理设置,可以把平均探测功耗降低到7uA。

采用低功耗工作方式远程唤醒模块,可以极大地降低接收端的功耗,需要接收端上传数据的时候,1S内即可作出响应,这很适合大范围数据采集的应用领域。

实现过程分为两部分:接收端探测唤醒信号、发送端发射唤醒信号。

1.1 接收端探测唤醒信号

1.1.1 探测时长

CAD模式中,通过对扩频序列的计算处理,可以从噪声探测可能存在的码元数据。其中影响探测时长和探测精度的主要因素有两个:

  • 扩频因子(SF):决定扩频调制中每个码元的扩展长度;

  • 扩频带宽(BS):限制了射频信号的最大带宽。

码元的持续时长(Ts)与模块的扩频因子和扩频带宽相关,有如下的公式对应: 

低功耗

例子:SF=7,BW=500khz,则Ts=0.26ms。

决定码元探测灵敏度的是码元的持续时长,持续时间越长,可探测的灵敏度越高,相对的,数据的传输速率会下降。

1.1.2 数据处理时长

CAD模式中,模块会对信道进行数据采样,并进行数字信号处理,一次完整的CAD采样,以SF=7,BW=500khz,Ts=0.26ms参数为例,需要进行0.26ms的采样,还有额外0.26ms的计算时长,也就大约需要0.5ms的处理时间,如图1.1所示。

低功耗

图1.1 CAD模式中电压的瞬态变化图

1.2 发射端发送唤醒信号

接收端模块每1S进入一次CAD采样,工作0.5ms,然后休眠999.5ms。如果发射端要唤醒这个接收端的模块,那么发射端需要持续发射至少1S的唤醒码元,让接收端可以在醒来的间隙,探测到扩频码元。

2、低功耗测试原理

测试实验原理如图2.1所示。在ZM470SX-M模块的电源端串接入一个20ohm的电阻,用于瞬时电流探测。MCU周期性地使ZM470SX-M模块进入CAD模式。把示波器探头的两端接在20ohm电阻上,观察示波器的电平变化。

低功耗

图2.1 实验原理图

低功耗

图2.2 实验仪器

3、功耗计算推导

计算原理:我们的目标是要求出一次CAD采样,平均到1秒内的功耗电流。因此首先要采样到一次完整的CAD采样过程的电压变化图,然后对这个变化的电压值进行积分,除以电阻值,再除以1秒,即为平均电流,公式推导如下。

低功耗

Iv:示波器采样中,CAD模式的有效电流

Tv:CAD模式的持续时间,示波器测量大约是0.5ms

Ia:按1秒平均来计算一次CAD模式的平均电流

Ta:平均时间,1s

Vv:示波器采样中,CAD模式的有效电压

Vt:示波器采样中,每一时刻的电压值

Ts:示波器的采样周期

R:串联的电阻,20ohm

低功耗

由以上计算过程可得模块1S进入一次CAD采样的平均功耗为6.0uA,加上模块的睡眠功耗1.2uA,模块在周期为1S的CAD采样模式下的总功耗为7.2uA。

4、功耗计算表

扩频因子:决定扩频调制中每个码元的扩展长度

扩频带宽:限制射频信号的最大带宽,单位khz

码元时长:传输一个码元的时间长度,单位ms

接收灵敏度:码元时长越长,接收灵敏度越好,dBm

探测时长:示波器测量出的一次CAD采样处理的工作时长,单位ms

电压时间积:示波器测量出的次CAD采样处理的电压时间积,单位uVs

平均电流:按1S一次CAD采样计算出的平均电流,单位uA

表4.1 功耗计算表

低功耗

5、示波器截图

扩频因子:7

扩频带宽:500kHz

电压时间积:120uVs

探测时长:0.5ms

如下图5.1

低功耗

图5.1

扩频因子:8

扩频带宽:500kHz

电压时间积:220uVs

探测时长:0.87ms

如下图5.2

低功耗

图5.2

扩频因子:9

扩频带宽:500kHz

电压时间积:412uVs

探测时长:1.73ms

如下图5.3

低功耗

图5.3

扩频因子:10

扩频带宽:500kHz

电压时间积:815uVs

探测时长:3.56ms

如下图5.4

低功耗

图5.4

扩频因子:11

扩频带宽:500kHz

电压时间积:1630uVs

探测时长:7.52ms

如下图5.5

低功耗

图5.5

扩频因子:12

扩频带宽:500kHz

电压时间积:3260uVs

探测时长:15.13ms

如下图5.6

低功耗

图5.6

扩频因子:12

扩频带宽:250kHz

电压时间积:5770uVs

探测时长:30.29ms

如下图5.7

低功耗

图5.7

扩频因子:12

扩频带宽:125kHz

电压时间积:10700uVs

探测时长:60.62ms

如下图5.8

低功耗

图5.8

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