Zrozumienie związku między chipami LoRa, ćwierkaniem, symbolami i bitami

Próbuję zrozumieć rzeczywisty związek między układami LoRa, „ćwierkaniem”, symbolami i bitami. Nie mam na myśli tylko równań odnoszących się do różnych szybkości, ale w rzeczywistości, jak te rzeczy odnoszą się ilościowo.

Dokument Semtech AN1200.22 Podstawy modulacji LoRa ™ zawiera kilka podstawowych równań i definicji związanych z różnymi szybkościami. O ile rozumiem, szybkość chipów CR zawsze będzie liczbowo równa wybranej szerokości pasma. Jeśli więc wybrana szerokość pasma = 125 kHz, szybkość układu wynosi 125 000 układów na sekundę. Symbol BW jest następnie używany zamiennie z prędkością chipu.

Współczynnik rozprzestrzeniania dotyczy żetonów i symboli. . Tak więc szybkość symbolu SR jest powiązana z szybkością chipa (jako BW): $2^{SF} chips = 1 \ symbol$

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

W realizacji modulacji LoRa, każde 4 bity danych będą kodowane jako 5, 6, 7 lub 8 bitów całkowitych jako forma korekcji błędów w przód, i są one wybierane poprzez ustawienie szybkości kodowania CR = 1, 2, 3, 4. Rzeczywista szybkość bitów danych użytkownika musi zostać zmniejszona o współczynnik:

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

To kończy to, co myślę, że rozumiem do tej pory. Nie wiem, co to właściwie są żetony lub symbole . Na przykład istnieje dodatkowy termin SF w końcowym związku między przepustowością a surową przepływnością, czego nie rozumiem.

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

Oznacza to, że jeden symbol jest równoważny bitom SR lub między 6 a 12 bitów w dostępnych ustawieniach LoRa. Czy to jest poprawne?

Znalazłem tutaj (obejrzyj także po 13:00 w tym EDYCJI wideo : wideo z najnowszej i bardziej szczegółowej rozmowy ) definicję częstotliwości ćwierkania jako pierwszej pochodnej częstotliwości df / dt. To dałoby mu jednostki ale pokazane tam wyrażenie jest inne. Być może jest to raczej tempo pełnych przebiegów (ćwierkania) niż tempo zmiany częstotliwości? $time^{-2}$

powyżej: zrzut ekranu z tego miejsca .

Pytanie: Jaki jest związek między chipami a „ćwierkaniem” - czy chipy można wizualnie rozróżnić w spektrogramach - czy widać, gdzie zaczyna się i kończy każdy chip? Ponadto, czy rzeczywiście istnieje od 6 do 12 bitów na symbol?

Poniżej kilka ilustracji spektrogramów sygnałów LoRa. Wygląda na to, że podczas każdego ćwierkania występuje w przybliżeniu jedno chwilowe przesunięcie częstotliwości na nominalny okres ćwierkania, ale nie wiem, czy to się ogólnie utrzymuje.

powyżej: Spektrogram LoRa firmy LinkLabs: „Co to jest LoRa?” .

powyżej: spektrogram LoRa z Dekodowania protokołu IOT LoRa za pomocą RTL-SDR .

powyżej: zrzut ekranu z Reversing LoRa (PDF).

powyżej: z dekodowania LoRa - przycięte stąd .

— O o
źródło

To jest odpowiednia odpowiedź .

— uhoh

Czy widziałeś przemówienie Matta Knighta na LoRa Phy w 33c3? media.ccc.de/v/33c3-7945-decoding_the_lora_phy - jest to „rozszerzona i ulepszona wersja” wykładu, który prowadził na GRCon (oba były całkiem fajne do oglądania na żywo) (link do slajdów z jego „Cofania” LoRa (przemówienie na GRCon)

— Marcus Müller

@ MarcusMüller Oglądam to teraz - jest to o wiele bardziej pomocne niż stare wideo - zmienię moje pytanie, aby uwzględnić nowe linki - Dzięki !! Ale nadal nie rozumiem, jak szybkość ćwierkania (df / dt) może mieć jednostki czasu a nie czas .

^{- 1}

${}^{-1}$

^{- 2}

${}^{-2}$

— uhoh

@Andreas jakieś zainteresowanie LoRa? 1) Cofanie LoRa (pdf) , 2) Dekodowanie PHR LoRa (doskonałe wideo) , 3) Linklabs: Co to jest LoRa? , 4) Dekodowanie LoRa

— uhoh

@ mike65535 dzięki za edycję! Tak, podczas gdy SEMATECH to wszystkie czapki, Semtech jest zupełnie inny. To musi być pamięć mięśni .

— uhoh

Odpowiedzi:

LoRa jest modulacją widma rozproszonego opartą na ćwierkaniu. Symbol to ćwierkanie .

Aby wygenerować symbole / ćwierkania, modem moduluje fazę oscylatora. Liczba razy na sekundę, gdy modem dostosowuje fazę, nazywa się szybkością chipa i określa szerokość pasma modulacji . Szybkość chipów to bezpośredni podział częstotliwości kwarcu (32 MHz).

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)

Podstawowe ćwierkania to po prostu rampa od fmin do fmax (chirp w górę) lub od fmax do fmin (chirp w dół). Dźwiękowe sygnały dźwiękowe to ćwierkania, które są cyklicznie przesuwane, a ta cykliczna zmiana przenosi informacje.

Współczynnik rozprzestrzeniania określa dwie podstawowe wartości:

$2^{SF}$
liczba nieprzetworzonych bitów, które mogą być zakodowane przez ten symbol, to SF

Powodem jest to, że symbol o długości N żetonów może być cyklicznie przesuwany z pozycji 0 na pozycje N-1. Pozycja „referencyjna” jest podana przez nieprzesunięte symbole na początku ramki LoRa. Więc to cykliczne przesunięcie może przenosić log2 (N) bitów informacji. Jeśli N jest potęgą dwóch, matematyka działa dobrze.

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

Z powodu szumu ten proces modulacji / demodulacji wprowadza błędy i dlatego dodano kod korekcji błędów. Dla typowego ładunku dodaje się 25% (CR1) lub 50% (CR2) redundancji przed modulowaniem ćwierkania. W praktyce dane przesyłane przez użytkownika są również mieszane, aby uzyskać lepsze właściwości korekcji błędów.

Surowa szybkość transmisji danych i korekcja błędów określają nominalną szybkość transmisji danych. Aby uzyskać efektywną maksymalną szybkość przesyłania danych, przy której urządzenie może transmitować, należy wziąć pod uwagę:

prawnie obowiązujący limit cyklu pracy dla pasma, w którym emitujesz
narzut preambuły LoRa, nagłówka i CRC dla każdej wysłanej ramki (znaczący wpływ, gdy wysyłane są krótkie ramki)
obciążenie protokołu dla każdej ramki (również bardzo ważne w przypadku krótkich ramek)

Edytować:

Dodałem (na czerwono) granice ćwierkania, aby efekt przesunięć cyklicznych był łatwiejszy do zrozumienia. Z wyjątkiem kilku specjalnych symboli na końcu preambuły sygnalizujących początek ramki, wszystkie ćwierknięcia w ramce LoRa mają dokładnie tę samą długość. Częstotliwość wydaje się „przeskakiwać” całkiem sporo, ale nie ma nieciągłości w fazie, która prowadziłaby do dużej ilości niepożądanych harmonicznych w całym paśmie.

— Sylvain
źródło

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

$f_{max}-f_{min}$

„Nieprawidłowości” i „kroki” wynikają z przesunięcia cyklicznego. Nie przesunięty ćwierkający dźwięk zaczyna się o fmin, a kończy o fmax. Cykl ćwierkania przesunięty o 2 próbki (SF-1) rozpoczyna się od (fmin + fmax) / 2, zwiększa się do fmax na połowie długości ćwierkania, następnie przeskakuje do fmin natychmiast, a następnie zwiększa do (fmin + fmax) / 2 na końcu ćwierkania.

— Sylvain

f_{m i n}

$f_{min}$

Nadal utknąłem na bitach / symbolu ~ SF. To wygląda na coś oczywistego i dobrze znanego znawcom sygnałów, ale jeszcze nie rozumiem, dlaczego. Czy możesz wskazać mi miejsce, w którym mogę dalej czytać? Potrzebuję tylko „aha!” wpisz wskazówkę. Dzięki! Wygląda na to, że LoRa stała się dla mnie naprawdę przyjemnym doświadczeniem .

— uhoh,

Spędziłem ostatnie 24 godziny, aby dostać się do LoRa i potknąłem się o to pytanie. Utknąłem również z częstotliwością ćwierkania i tym, jak można zobaczyć różne żetony w ćwierkaniu i tak dalej. Nie podoba mi się tutaj obie odpowiedzi, ponieważ nie odnoszą się do części z etykietą Pytanie: Jeśli będę miał czas, napiszę własną odpowiedź, do tego momentu radziłbym przeczytać ten patent . Ta odpowiedź to tak naprawdę fragmenty informacji zakodowane w tym dokumencie. Bardzo dziękuję za przykłady, a zwłaszcza za narysowanie granic ćwierknięć, to było naprawdę pomocne!

— Felix Crazzolara,

Definicje

Co to jest bit , symbol , chip i ćwierkają i co one oznaczają?

Kawałek

Bit jest najmniejszą jednostką informacji. Przez większość czasu próbujemy wysłać te bity od nadawcy (TX) do odbiornika (RX).

Aby wysłać te bity do RX, muszą przejść przez jakiś rodzaj medium, aby dotrzeć do celu. Może to być dowolny metal, powietrze, woda, światłowód itp., Dowolny rodzaj medium, jakie możesz sobie wyobrazić.
Każdy z nich ma zalety, wady i własne dziwactwa, ale najczęściej z nich korzystamy, ponieważ musimy zrekompensować niedociągnięcia innych mediów.
Stosowane są światłowody, ponieważ lepiej nadają sygnał przy znacznie mniejszym tłumieniu w porównaniu z transmisją bezprzewodową, która wykorzystuje powietrze jako medium, oraz o wiele tańszym w porównaniu do komunikacji opartej na miedzi, jeśli mówimy o dużych odległościach.
Wadą tego medium jest to, że nie można nad nim przesyłać mocy, byłoby to bezcelowe. Nie możesz ponownie użyć tej mocy na końcu, więc jeśli chcesz zasilić coś podczas przesyłania informacji, będziesz musiał użyć miedzi.
Szybkość transmisji to liczba bitów przesyłanych lub przetwarzanych na jednostkę czasu.

b ja t r za t mi = R_{b}

$Bit\ rate = R_b$

Symbol

Jeśli chcesz transmitować za pośrednictwem tych różnych rodzajów mediów, musisz opisać i przesłać te fragmenty informacji w taki sposób, aby dotarły do miejsca docelowego.
Symbol reprezentuje jeden lub więcej bitów danych, może być rodzajem fali lub kodem .
Symbol rate to liczba zmian symboli na jednostkę czasu, może być równa lub mniejsza niż bitrate. Szybkość symboli jest również znana jako szybkość transmisji i szybkość modulacji.

Oto przykład, jakie rodzaje kodów linii istnieją i jakie modulacje .

S. y m b o l r za t mi = R_{s}

$Symbol\ rate = R_s$

Żeton

Chip jest podstawowym elementem binarnym sekwencji danych w kontekście transmisji widma rozproszonego. Aby uniknąć nieporozumień, nazwali go inaczej niż bit.

Rozproszone spektrum to pomysł, aby twoje dane były rozproszone w paśmie, w ten sposób transmisja będzie bardziej redundantna, mniej podatna na zakłócanie. Jeśli chcesz osiągnąć tę samą niezawodność bez korzystania z widma rozproszonego, będziesz musiał transmitować w wąskim paśmie o stosunkowo dużej mocy. To blokuje inne transmisje i jest sprzeczne z całym punktem telekomunikacji, że z powodzeniem przesyłasz informacje, nie przeszkadzając nikomu w transmisji.
Szybkość chipów to liczba wysłanych lub odebranych chipów na jednostkę czasu i jest znacznie większa niż szybkość symbolu, co oznacza, że wiele układów może reprezentować jeden symbol.

do h ja p r za t mi = R_{do}

$Chip\ rate = R_c$

Szybkość symboli jest mniejsza lub równa szybkości transmisji, szybkość chipów jest wyższa niż szybkość transmisji symboli, a także wyższa niż szybkość transmisji.

W dokumencie Semtech AN1200.22 na stronie 9-10 zastosowano następujące formuły:

R_{b} = S. fa \cdot \frac{b W.}{{2)}^{S. fa}} R_{s} = \frac{b W.}{{2)}^{S. fa}} R_{do} = R_{s} \cdot {2)}^{S. fa}

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

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

R_{do} > R_{b} > R_{s}

$R_c > R_b > R_s$

Jeśli interesują Cię inne technologie wykorzystujące widmo rozproszone, które wykorzystują koncepcję chipa, sprawdź metodę dostępu Code Division Multiple Access .

Ćwierkanie

Chirp to sygnał, w którym częstotliwość wzrasta (chirp w górę) lub maleje (chirp w dół). W QPSK, BPSK i wielu rodzajach cyfrowej modulacji używali fal sinusoidalnych jako symboli, ale w CSS używają ćwierknięć, które nie zmieniają napięcia / mocy w czasie, ale zmieniają częstotliwość w czasie.

- Ciąg dalszy nastąpi
- muszę zrewidować odpowiedź z części układu, ponieważ obliczanie rzeczy z dwóch dokumentów ( 1 , 2 ) nie daje tego samego rezultatu, a na wideo wciąż nie jest jasne, co bierzemy za chip lub symbol w sygnale modulowanym CSS.

Zasoby

Żeton

Rozszerzać zakres

Techniki modulacji

Bity, symbol i szybkość transmisji

Czytaj dalej

Szybkość transmisji a szybkość transmisji

Techniki multipleksowania

Nowoczesne techniki modulacji cyfrowej

Teoria komunikacji w widmie rozproszonym

Systemy łączności satelitarnej: systemy, techniki i technologie

Niektóre zastosowania i pomiary technologii Chirp Spread Spectrum (CSS)

Transmisja cyfrowa: wprowadzenie wspomagane symulacją dzięki VisSim / Comm (sygnały i technologia komunikacji)

— domenix
źródło

To bardzo piękna odpowiedź i na pewno będę „śledził” aktualizacje. Nie zapomnij o części zatytułowanej Pytanie: Chciałbym zrozumieć związek specjalnie dla LoRa i czy mogę zrozumieć, jak rozpoznać układy scalone i symbole w rzeczywistym spektrogamie sygnału modulowanego LoRa. Dzięki!

— uhoh