电子说
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:
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。
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。
图2.1 实验原理图
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。
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
图5.8
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