Розуміння взаємозв'язку між чіпами, щебетаннями, символами та бітами LoRa

Я намагаюся зрозуміти фактичну залежність між чіпами LoRa, "щебетаннями", символами та бітами. Я маю на увазі не просто рівняння, що співвідносять різні ставки, а власне те, як ці речі співвідносяться кількісно.

Документ Semtech AN1200.22 Основи модуляції LoRa ™ містить деякі основні рівняння та визначення, що стосуються різних швидкостей. Наскільки я можу зрозуміти, частота мікросхем CR завжди буде чисельно рівна вибраній смузі пропускання. Отже, якщо обрана смуга пропускання = 125 кГц, швидкість чіпа становить 125 000 чіпів / секунду. Потім символ BW використовується взаємозамінно зі швидкістю чіпа.

Коефіцієнт розповсюдження стосується фішок та символів. . Отже, швидкість символу SR пов'язана зі швидкістю чіпа (як BW): $2^{SF} chips = 1 \ symbol$

$SR = \frac{BW}{2^{SF}}$

При здійсненні модуляції LoRa кожні 4 біти даних будуть кодуватися як 5, 6, 7 або 8 загальних бітів як форми виправлення помилок вперед, і вони вибираються шляхом встановлення швидкості кодування CR = 1,2, 3, 4. Отже, фактична швидкість бітів даних користувача повинна бути зменшена на коефіцієнт:

$BR_{user} = BR\frac{4}{4+CR}$ .

Це підсумовує те, що, на мою думку, я розумію поки що. Я не знаю, що таке мікросхеми чи символи . Наприклад, є додатковий термін SF у кінцевій залежності між пропускною здатністю та швидкістю бітової швидкості, яку я не розумію.

$BR = SF\frac{BW}{2^{SF}}\ = SF \cdot SR$

Це говорить про те, що один символ еквівалентний бітам SR або між 6 та 12 бітами в доступних налаштуваннях LoRa. Це правильно?

Я знайшов тут (також дивіться після 13:00 у цьому відео EDIT: відео останніх та більш поглиблених розмов ) визначення швидкості чирпінгу як першої похідної частоти df / dt. Це дало б йому одиниці але вираз, показаний там, є іншим. Можливо, це швидкість повних зачисток (щебетання), а не швидкість зміни частоти? $time^{-2}$

нагорі: знімок екрана звідси .

Запитання: Який взаємозв'язок між чіпами та «чирпом» - чи можна чіп розрізнити візуально в спектрограмах - чи можна побачити, де починається і закінчується кожен чіп? Крім того, чи дійсно існує від 6 до 12 біт на символ?

Нижче наведено кілька ілюстрацій спектрограм сигналів LoRa. Це виглядає як під час кожного щебетання, є приблизно в середньому один миттєвий зсув частоти за номінальний період щебетання, але я не знаю, чи це взагалі має місце.

вище: спектрограма LoRa від LinkLabs: "Що таке LoRa?" .

вище: спектраграма LoRa з декодування протоколу IOT LoRa за допомогою RTL-SDR .

вище: знімок екрана з Reversing LoRa (PDF).

вище: від декодування LoRa - обрізаний звідси .

— Ой-ой
джерело

Це відповідна відповідь .

— uhoh

ви бачили, як Метт Найт говорив на фільмі LoRa в 33c3? media.ccc.de/v/33c3-7945-decoding_the_lora_phy - це "розширена та вдосконалена версія" розмови, яку він провів у GRCon (обидва вони були досить круті, щоб побачити в прямому ефірі) (ви посилаєтесь на слайди з його "Reversing LoRa "розмова в GRCon)

— Маркус Мюллер

@ MarcusMüller Я зараз переглядаю це - це набагато корисніше, ніж старе відео - я відредагую своє запитання, щоб включити нові посилання - Дякую !! Але я все ще не розумію, як швидкість чирпінгу (df / dt) може мати одиниці часу

^{- 1}

${}^{-1}$

^{- 2}

${}^{-2}$

@Andreas якийсь інтерес до LoRa? 1) Реверсування LoRa (pdf) , 2) Розшифровка LoRa PHY (відмінне відео) , 3) Linklabs: Що таке LoRa? , 4) Розшифровка LoRa

— uhoh

@ mike65535 дякую за редагування! Так, поки SEMATECH - це все шапки, Semtech зовсім інший. Повинно бути м'язова пам'ять .

— uhoh

Відповіді:

LoRa - це модуляція з широким спектром, заснована на чирпі. Символ є лінійної частотної модуляції .

Щоб генерувати символи / щебетання, модем модулює фазу генератора. Кількість разів в секунду, що модем регулює фазу, називається швидкістю чіпа і визначає пропускну здатність модуляції . Частота чіпів - це прямий підрозділ кварцової частоти (32 МГц).

Example for 125 kHz LoRa:

125 kHz modulation bandwidth
    = 125000 chips per second
    = 8 µs per chip

modulation bandwidth < occupied spectral bandwidth < channel spacing (typ 200 kHz)

Основні щебетання - це просто рампа від fmin до fmax (up-chirp) або fmax до fmin (down-chirp). Чиркачі, що несуть дані, - це щебетання, які мають циклічний зсув, і цей циклічний зсув несе інформацію.

Коефіцієнт розповсюдження визначає два основні значення:

$2^{SF}$
кількість необроблених бітів, які можуть бути закодовані цим символом, є SF

Причина полягає в тому, що символ, довжиною N чіпів, може бути циклічно зміщений від 0 до N-1 позицій. Положення "посилання" задається символами, що не зміщуються, на початку кадру LoRa. Отже цей циклічний зсув може нести біти інформації log2 (N). Якщо N - сила двох, математика працює добре.

Example for SF 7

A SF 7 symbol is 128 chips long
    = 1.024 ms @125kHz modulation bandwidth
    = 512 µs @250kHz modulation bandwidth
    = 256 µs @500kHz modulation bandwidth

A 128-chip long symbol can by cyclically shifted from 0 to 127 positions, and that shift
carries 7 bits of raw information:
    ~ 6.8 kbps raw @125kHz modulation bandwidth
    ~ 13.7 kbps raw @250kHz modulation bandwidth
    ~ 27.3 kbps raw @500kHz modulation bandwidth

Через шум цей процес модуляції / демодуляції вводить помилки, і тому додається код виправлення помилок. Для типового корисного навантаження перед модуляцією щебетання додається 25% (CR1) або 50% (CR2) надмірності. На практиці дані, що надсилаються користувачем, також змішуються для отримання кращих властивостей виправлення помилок.

Сировинна швидкість передачі даних та виправлення помилок визначають номінальну швидкість передачі даних. Щоб отримати ефективну максимальну швидкість передачі даних, яку може передавати пристрій, вам потрібно врахувати:

законний ліміт робочого циклу, якщо це застосовано, на смугу, яку ви випромінюєте
накладні витрати преамбули LoRa, заголовка та CRC для кожного відправленого кадру (значний вплив при надсиланні коротких кадрів)
накладні витрати вашого протоколу для кожного кадру (також дуже важливо для коротких кадрів)

Редагувати:

Я додав (червоним кольором) межі щебетання, щоб легше зрозуміти ефект циклічного зсуву. За винятком кількох спеціальних символів в кінці преамбули, що сигналізують про початок кадру, всі щебетання у кадрі LoRa мають однакову довжину. Здається, частота "стрибає" досить небагато, але немає фази розриву, який би призводив до великої кількості небажаних гармонік по всьому гурту.

— Сільвайн
джерело

f_{m a x} - f_{m i n}

$f_{max}-f_{min}$

"Нерівності" та "кроки" зумовлені циклічним зрушенням. Не зміщений чирп вгору починається з fmin і закінчується у fmax. Цикл щебетування, зміщений на 2 ^ (SF-1) зразків, починається з (fmin + fmax) / 2, піднімається до fmax на половину довжини щебетання, потім стрибає до fmin негайно, потім піднімається до (fmin + fmax) / 2 в кінці щебетання.

— Сільвейн

f_{m i n}

$f_{min}$

Я досі застряг на бітах / символі ~ SF. Це схоже на щось очевидне та добре відоме сигналам, але я ще не розумію, чому. Чи можете ви вказати мені на якесь місце, яке я можу прочитати далі? Мені просто потрібно "ага!" тип підказки. Спасибі! Здається, LoRa стала для мене справді приємним навчанням .

— uhoh

Я витратив останні 24 години, щоб потрапити в LoRa і натрапив на це питання. Я також був застряг зі швидкістю щебетання, і як можна побачити різні фішки в чирпі та інше. Мені не подобаються обидві відповіді, оскільки вони не стосуються частини, позначеної Запитання: Якщо я встигну, напишу власну відповідь, до цього моменту я б радив прочитати цей патент . Ця відповідь - це фактично шматочки інформації, скремтовані з цього документа. Велике спасибі, хоча за приклади та особливо за малювання кордонів щебетання це було дуже корисно!

— Фелікс Краццолара

Визначення

Отже, що таке біт , символ , чіп і щебетання , і що вони означають?

Біт

Біт - це найменша одиниця інформації. Більшу частину часу ми намагаємось відправити ці біти від відправника (TX) до приймача (RX).

Для того щоб відправити ці біти в RX, вони повинні пройти якийсь носій, щоб дістатися до місця призначення. Це може бути будь-який метал, повітря, вода, волоконна оптика тощо, будь-який тип середовища, який ви можете собі уявити.
У кожного з них є переваги, недоліки та свої примхи, але ми здебільшого їх використовуємо, оскільки нам потрібно компенсувати недолік інших ЗМІ.
Волоконна оптика використовується тому, що вони краще передають сигнал із значно меншим загасанням порівняно з бездротовою передачею, яка використовує повітря як середнє, та набагато дешевше порівняно з комунікацією на основі міді, якщо говорити про великі дальності.
Недоліком цього носія є те, що ви не можете передавати владу над ним, це було б безглуздо. Ви не можете використовувати цю потужність в кінці кінців, тому якщо ви хочете щось живити під час передачі інформації, вам доведеться використовувати мідь.
Швидкість передачі - це кількість бітів, переданих або оброблених за одиницю часу.

Б i т r а т е = R_{б}

$Bit\ rate = R_b$

Символ

Якщо ви хочете здійснювати передачу через ці різні носії інформації, ви повинні описати та передати ті шматочки інформації таким чином, щоб вона досягла свого призначення.
Символ представляє один або декілька бітів даних, це може бути тип хвилі або код .
Швидкість символу - це кількість змін символів за одиницю часу, вона може бути дорівнює або меншою за швидкість передачі бітів. Частота символів також відома як швидкість передачі даних та швидкість модуляції.

Ось приклад того, які коди ліній існують і які модуляції .

S у м б о л r а т е = R_{с}

$Symbol\ rate = R_s$

Фішка

Чіп - це основний бінарний елемент послідовності даних у контексті передачі спектру з розширеним спектром, і щоб уникнути плутанини, вони назвали його по-різному від біт.

Спектр розповсюдження - це ідея розповсюдження ваших даних по смузі пропускання; таким чином передача буде більш зайвою, менш схильною до заклинювання. Якщо ви хочете досягти такої ж надійності, не використовуючи спектр поширення, вам доведеться передавати у вузькій смузі з відносно високою потужністю. Це заважає іншим передачам і суперечить всій точці телекомунікацій, що ви передаєте інформацію успішно, не турбуючи чужу передачу.
Частота чіпів - це кількість чіпів, що передаються або приймаються за одиницю часу, і вона набагато більша за швидкість символу, тобто кілька мікросхем можуть представляти один символ.

С год i p r а т е = R_{c}

$Chip\ rate = R_c$

Швидкість символу нижче або дорівнює швидкості передачі бітів, швидкість мікросхеми вище, ніж швидкість символу, а також більша за швидкість передачі бітів.

У документі Semtech AN1200.22 на сторінці 9-10 використовуються такі формули:

R_{б} = S Ж \cdot \frac{Б W}{2^{S Ж}} R_{с} = \frac{Б W}{2^{S Ж}} R_{c} = R_{с} \cdot 2^{S Ж}

$R_b = SF \cdot \cfrac{BW}{2^{SF}}\qquad R_s = \cfrac{BW}{2^{SF}}\qquad R_c = R_s\cdot 2^{SF}$

$R_b = SF\cdot R_s$ $R_c = \cfrac{R_b}{SF} \cdot 2^{SF}$
$100\ bps$ $200\ cps$

R_{c} > R_{б} > R_{с}

$R_c > R_b > R_s$

Якщо вас цікавить, які ще існують технології з розширеним спектром, які використовують концепцію мікросхеми, ознайомтеся з методом доступу Code Division Multiple Access .

Щебетати

Чірк - це сигнал, у якому частота збільшується (вгору-чириться) або зменшується (вниз-чирп). У цифровій модуляції QPSK, BPSK та багатьох типів вони використовували синусоїдальні хвилі як символи, але в CSS вони використовують щебетання, які не змінюють напругу / потужність у часі, але змінюють частоту в часі.

- Для продовження -
мені потрібно переглянути відповідь з чіпової частини, тому що обчислення речей з двох документів ( 1 , 2 ) не дає однакового результату, а на відео все ще не зрозуміло, що ми сприймаємо як чіп або символ у модульованому сигналі CSS.

Ресурси

Фішка

Поширення спектру

Методи модуляції

Швидкість, біт, символ і чіп

Далі читайте

Швидкість передачі проти швидкості Бода

Техніка мультиплексування

Сучасні методи цифрової модуляції

Теорія комунікацій із розширеним спектром

Системи супутникового зв’язку: системи, методи і технології

Деякі додатки та вимірювання технології розповсюдження спектру ширини (CSS)

Цифрова передача: Впровадження імітаційного вступу з VisSim / Comm (сигнали та комунікаційні технології)

— куменікс
джерело

Це дуже гарна відповідь, і я обов'язково буду "налагодженим" для оновлень. Не забувайте частину, що позначена питанням: Я хотів би зрозуміти взаємозв'язок спеціально для LoRa, і якщо я можу зрозуміти, як розпізнати мікросхеми та символи у фактичному спектрограмі модульованого сигналу LoRa. Спасибі!

— uhoh