Понимание взаимосвязи между чипами, чипами, символами и битами LoRa

Я пытаюсь понять фактические отношения между чипами LoRa, «чирпами», символами и битами. Я имею в виду не только уравнения, которые связывают различные показатели, но на самом деле то, как эти вещи связаны количественно.

Документ Semtech AN1200.22 Основы модуляции LoRa ™ содержит некоторые основные уравнения и определения, относящиеся к различным скоростям. Насколько я понимаю, частота чипа CR всегда будет численно равна выбранной полосе пропускания. Таким образом, если выбранная полоса пропускания = 125 кГц, частота чипа составляет 125 000 чипов в секунду. Символ BW затем используется взаимозаменяемо с чиповой скоростью.

Коэффициент расширения относится к фишкам и символам. $2^{SF} chips = 1 \ symbol$ . Таким образом, символьная скорость SR связана со скоростью чипа (как BW):

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

При реализации модуляции LoRa каждые 4 бита данных будут кодироваться как 5, 6, 7 или 8 битов в качестве формы прямого исправления ошибок, и они выбираются путем установки скорости кодирования CR = 1, 2, 3, 4. Таким образом, фактическая скорость битов пользовательских данных должна быть уменьшена на коэффициент:

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

Это завершает то, что я думаю, я понимаю до сих пор. Я не знаю, что такое фишки или символы . Например, в окончательном соотношении между пропускной способностью и необработанной скоростью передачи данных есть дополнительный термин SF, который я не понимаю.

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

Это говорит о том, что один символ эквивалентен битам SR или между 6 и 12 битами в доступных настройках LoRa. Это верно?

Я нашел здесь (также смотрите после 13:00 в этом видео РЕДАКТИРОВАТЬ: видео с более свежим и более подробным докладом ) определение частоты чирпирования как первой временной производной частоты df / dt. Это дало бы ему единицы но показанное здесь выражение отличается. Может быть, это скорость полных разверток (щебет), а не скорость изменения частоты? $time^{-2}$

выше: снимок экрана отсюда .

Вопрос: Какова взаимосвязь между чипами и «чипсами» - можно ли визуально различить чипы на спектрограммах - можно ли увидеть, где начинается и заканчивается каждый чип? Кроме того, действительно ли между 6 и 12 бит на символ?

Ниже приведены некоторые иллюстрации спектрограмм сигналов LoRa. Похоже, что во время каждого ЛЧМ в среднем примерно один мгновенный сдвиг частоты на номинальный период ЛЧМ, но я не знаю, так ли это вообще.

выше: спектрограмма LoRa от LinkLabs: «Что такое LoRa?» ,

выше: спектрограмма LoRa из декодирования протокола IOT LoRa с помощью RTL-SDR .

выше: снимок экрана с обращением LoRa (PDF).

выше: из декодирования LoRa - обрезано отсюда .

demodulation digital-modulation encoding lora UHOH
источник

Это связанный ответ .

ухо

Вы видели выступление Мэтта Найта о LoRa Phy в 33c3? media.ccc.de/v/33c3-7945-decoding_the_lora_phy - это «расширенная и улучшенная версия» беседы он держал в GRCon (оба из которых были довольно прохладное увидеть вживую) (вы связываете к слайдам с его «Реверсивный LoRa "выступит на GRCon)

Маркус Мюллер

@ MarcusMüller Я сейчас смотрю - это намного полезнее, чем старое видео - я отредактирую свой вопрос, добавив новые ссылки - Спасибо! Но я до сих пор не понимаю, как скорость чирп (df / dt) может иметь единицы времени

^{- 1}

${}^{-1}$

^{- 2}

${}^{-2}$

@ Andreas есть интерес к LoRa? 1) Реверсивный LoRa (pdf) , 2) Декодирование LoRa PHY (отличное видео) , 3) Linklabs: Что такое LoRa? , 4) Расшифровка LoRa

ухх

@ mike65535 спасибо за редактирование! Да, в то время как SEMATECH - все заглавные буквы, Semtech совершенно другой. Должна быть мышечная память .

Ух,

Ответы:

LoRa - это модуляция с расширенным спектром на основе ЛЧМ. Символ является линейной частотной модуляции .

Для генерации символов / звуковых сигналов модем модулирует фазу генератора. Количество раз в секунду, которое модем регулирует фазу, называется скоростью чипа и определяет ширину полосы модуляции . Частота чипа является прямым подразделением частоты кварца (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)

Базовые чирпы - это просто линейное увеличение от fmin до fmax (повышающий чирп) или fmax до fmin (понижающий чирп). Чирп, несущий данные, - это чирп, который циклически сдвинут, и этот циклический сдвиг несет информацию.

Коэффициент распространения определяет две основные ценности:

$2^{SF}$
количество необработанных битов, которые могут быть закодированы этим символом, равно SF

Причина в том, что символ с длиной N чипов может циклически сдвигаться от 0 до N-1 позиций. «Эталонная» позиция задается несмещенными символами в начале кадра LoRa. Таким образом, этот циклический сдвиг может нести log2 (N) битов информации. Если N является степенью двойки, математика работает хорошо.

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

Из-за шума этот процесс модуляции / демодуляции вносит ошибки, и поэтому добавляется код исправления ошибок. Для типичной полезной нагрузки 25% (CR1) или 50% (CR2) избыточности добавляются до модуляции чирпов. На практике данные, отправляемые пользователем, также смешиваются, чтобы получить лучшие свойства исправления ошибок.

Исходная скорость передачи данных и исправление ошибок определяют номинальную скорость передачи данных. Чтобы получить эффективную максимальную скорость передачи данных, с которой устройство может передавать данные, необходимо принять во внимание:

допустимый предел рабочего цикла, если это применимо, полосы, которую вы излучаете в
накладные расходы на преамбулу LoRa, заголовок и CRC для каждого отправленного кадра (значительное влияние при отправке коротких кадров)
издержки вашего протокола для каждого кадра (также очень важно для коротких кадров)

Редактировать:

Я добавил (красным цветом) границы чирпов, чтобы было легче понять эффект циклических сдвигов. За исключением нескольких специальных символов в конце преамбулы, сигнализирующих о начале кадра, все ЛЧМ в кадре LoRa имеют одинаковую длину. Частота, кажется, немного «перепрыгивает», но в фазе нет прерывистости, которая привела бы к обильному количеству нежелательных гармоник по всей полосе.

Сильвен
источник

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

$f_{max}-f_{min}$

«Неровности» и «ступени» обусловлены циклическим сдвигом. Не смещенный повышающий сигнал начинается в fmin и заканчивается в fmax. Сдвиг чирпа, сдвинутый на 2 ^ (SF-1) сэмпла, начинается с (fmin + fmax) / 2, увеличивается до fmax на половине длины чирпа, затем сразу же переходит к fmin, затем увеличивается до (fmin + fmax) / 2 в конце чирикать.

Сильвен

f_{m i n}

$f_{min}$

Я все еще застрял на биты / символ ~ SF. Это похоже на что-то очевидное и хорошо знакомое сигналам, но я пока не понимаю, почему. Можете ли вы указать мне место, где я могу читать дальше? Мне просто нужно "ага!" введите подсказку. Благодарность! Кажется, что LoRa стал для меня действительно хорошим опытом обучения .

ухо

Я потратил последние 24 часа, чтобы попасть в LoRa, и наткнулся на этот вопрос. Я также застрял с частотой чирика и тем, как можно видеть разные фишки в чирпе и так далее. Мне не нравятся оба ответа здесь, так как они не касаются части, помеченной как Вопрос: если у меня будет время, я напишу свой собственный ответ, до этого момента я бы посоветовал прочитать этот патент . Этот ответ на самом деле бит информации из этого документа. Большое спасибо за примеры и особенно за то, что они очертили границы чирпов, это было действительно полезно!

Феликс Краззолара

Определения

Итак, что такое бит , символ , чип и щебетание , и что они означают?

Немного

Бит - это самая маленькая единица информации. В большинстве случаев мы пытаемся отправить эти биты от отправителя (TX) к получателю (RX).

Чтобы отправить эти биты в RX, им нужно пройти через какую-то среду, чтобы добраться до места назначения. Это может быть любой металл, воздух, вода, волоконная оптика и т. Д., Любой вид среды, который вы можете себе представить.
У каждого из них есть свои преимущества, недостатки и свои причуды, но мы в основном используем их, потому что нам нужно компенсировать недостатки других СМИ.
Волоконная оптика используется потому, что она лучше передает сигнал с гораздо меньшим затуханием по сравнению с беспроводной передачей, которая использует воздух в качестве среды, и намного дешевле по сравнению с медной связью, если мы говорим о больших расстояниях.
Недостаток этой среды в том, что вы не можете передавать мощность через нее, это было бы бессмысленно. Вы не можете повторно использовать эту мощность в конце, поэтому, если вы хотите включить что-то во время передачи информации, вам придется использовать медь.
Скорость передачи - это количество битов, переданных или обработанных за единицу времени.

В я T р a T е знак равно р_{б}

$Bit\ rate = R_b$

Символ

Если вы хотите передавать через эти различные типы носителей, вы должны описать и передать эти биты информации таким образом, чтобы она достигла своего пункта назначения.
Символ представляет один или несколько битов данных, это может быть тип сигнала или код .
Скорость символа - это число изменений символа за единицу времени, она может быть равна или меньше скорости передачи в битах. Скорость передачи также известна как скорость передачи и скорость модуляции.

Вот пример того, какие существуют линейные коды и какие модуляции .

S Y м б о L р a T е знак равно р_{s}

$Symbol\ rate = R_s$

чип

Чип является основным двоичным элементом последовательности данных в контексте передач с расширенным спектром, и во избежание путаницы они назвали его иначе, чем бит.

Распространение спектра - это идея распространения ваших данных через полосу пропускания, таким образом, передача будет более избыточной, менее подверженной помехам. Если вы хотите достичь такой же надежности без использования расширенного спектра, вам придется передавать в узкой полосе при относительно высокой мощности. Это блокирует другие передачи и идет вразрез с всей точкой телекоммуникации, что вы успешно передаете информацию, не беспокоя чужую передачу.
Частота чипов - это количество чипов, передаваемых или принимаемых за единицу времени, и оно намного больше, чем скорость символов, что означает, что несколько чипов могут представлять один символ.

С час я п р a T е знак равно р_{с}

$Chip\ rate = R_c$

Скорость передачи символов ниже или равна скорости передачи данных, скорость передачи данных выше, чем скорость передачи символов, а также выше скорости передачи данных.

В документе Semtech AN1200.22 на стр. 9-10 используются следующие формулы:

р_{б} знак равно S F \cdot \frac{В W}{2^{S F}} р_{s} знак равно \frac{В W}{2^{S F}} р_{с} знак равно р_{s} \cdot 2^{S F}

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

$R_b = SF\cdot R_s$ $R_c = \cfrac{R_b}{SF} \cdot 2^{SF}$ ,
Вы не можете иметь коэффициент расширения равным нулю, потому что вы бы делили с нуля. Наименьшее число, которое вы можете ввести как коэффициент расширения, равно 1, а в случае $100\ bps$ , скорость чипа будет $200\ cps$ так что верно, что:

р_{с} > р_{б} > р_{s}

$R_c > R_b > R_s$

Если вас интересует, какие существуют другие технологии с расширенным спектром, в которых используется концепция чипа, ознакомьтесь с методом доступа Code Division Multiple Access .

чириканье

Щебетание - это сигнал, в котором частота увеличивается (повышается) или уменьшается (понижается). В QPSK, BPSK и многих типах цифровой модуляции они использовали синусоидальные волны в качестве символов, но в CSS они используют чирп, который не изменяет напряжение / мощность во времени, а изменяет частоту во времени.

-Для продолжения-
Мне нужно пересмотреть ответ из части чипа, потому что вычисление вещей из двух документов ( 1 , 2 ) не дает тот же результат, и в видео все еще не ясно, что мы принимаем за чип или символ в модулированном сигнале CSS.

Ресурсы

Читать дальше

Скорость передачи в битах против скорости в бодах

Техника мультиплексирования

Современные методы цифровой модуляции

Теория связи с расширенным спектром

Системы спутниковой связи: системы, технологии и технологии

Некоторые приложения и измерения технологии Chirp Spread Spectrum (CSS)

Цифровая передача: введение с помощью моделирования с VisSim / Comm (Сигналы и коммуникационные технологии)

domenix
источник

Это очень красивый ответ, и я определенно буду следить за обновлениями. Не забудьте часть с надписью Вопрос: я хотел бы понять взаимосвязь специально для LoRa, и если я могу понять, как распознавать микросхемы и символы в реальной спектрогаме модулированного сигнала LoRa. Благодарность!

ухо