Ich versuche die tatsächliche Beziehung zwischen LoRa-Chips, "Chirps", Symbolen und Bits zu verstehen. Ich meine nicht nur die Gleichungen, die die verschiedenen Raten in Beziehung setzen, sondern tatsächlich, wie diese Dinge quantitativ zusammenhängen.

Das Semtech-Dokument AN1200.22 LoRa ™ Modulation Basics enthält einige grundlegende Gleichungen und Definitionen, die sich auf verschiedene Raten beziehen. Soweit ich verstehen kann, wird die Chiprate CR immer numerisch der ausgewählten Bandbreite entsprechen. Wenn also die ausgewählte Bandbreite = 125 kHz ist, beträgt die Chiprate 125.000 Chips / Sekunde. Das Symbol BW wird dann austauschbar mit der Chiprate verwendet.

Der Spreizfaktor bezieht sich auf Chips und Symbole. . Die Symbolrate SR steht also in Beziehung zur Chiprate (als BW):$2^{SF} chips = 1 \ symbol$

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

Bei der Implementierung der LoRa-Modulation werden alle 4 Datenbits als 5, 6, 7 oder 8 Gesamtbits als eine Form der Vorwärtsfehlerkorrektur codiert, und diese werden durch Einstellen der Codierrate CR = 1, 2 ausgewählt. 3, 4. Die tatsächliche Rate der Nutzdatenbits muss also um den Faktor reduziert werden:

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

Dies schließt, was ich bisher zu verstehen glaube . Ich weiß nicht, was Chips oder Symbole eigentlich sind . Zum Beispiel gibt es einen zusätzlichen SF-Ausdruck in der endgültigen Beziehung zwischen Bandbreite und Rohbitrate, den ich nicht verstehe.

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

Dies besagt, dass ein Symbol SR-Bits entspricht oder zwischen 6 und 12 Bits in den verfügbaren LoRa-Einstellungen. Ist das korrekt?

Ich habe hier gefunden (siehe auch nach 13:00 in diesem Video BEARBEITEN: Video des neueren und ausführlicheren Vortrags ) eine Definition der Chirp-Rate als erste zeitliche Ableitung der Frequenz df / dt gefunden. Das würde es Einheiten von aber der dort gezeigte Ausdruck ist anders. Vielleicht ist dies eher die Rate der vollständigen Sweeps (Chirps) als die Änderungsrate der Frequenz?$time^{-2}$

oben: Screenshot von hier .

Frage: Wie ist die Beziehung zwischen Chips und "Chirps" - können die Chips in den Spektrogrammen visuell unterschieden werden - kann man sehen, wo jeder Chip beginnt und endet? Gibt es auch tatsächlich zwischen 6 und 12 Bits pro Symbol?

Nachfolgend einige Abbildungen von Spektrogrammen von LoRa-Signalen. Es sieht so aus, als gäbe es bei jedem Chirp im Durchschnitt eine momentane Frequenzverschiebung pro nominaler Chirp-Periode, aber ich weiß nicht, ob das im Allgemeinen zutrifft.

oben: LoRa-Spektrogramm von LinkLabs: "Was ist LoRa?" .

oben: LoRa-Spektrogramm aus der Decodierung des LoRa IOT-Protokolls mit einem RTL-SDR .

oben: Screenshot von Reversing LoRa (PDF).

oben: von Decoding LoRa - von hier abgeschnitten .

LoRa ist eine chirpbasierte Spread-Spectrum-Modulation. Ein Symbol ist ein Zwitschern .

Zur Erzeugung von Symbolen / Chirps moduliert das Modem die Phase eines Oszillators. Die Häufigkeit, mit der das Modem die Phase pro Sekunde einstellt, wird als Chiprate bezeichnet und definiert die Modulationsbandbreite . Die Chiprate ist eine direkte Unterteilung der Quarzfrequenz (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)

Grundlegende Chirps sind einfach eine Rampe von fmin nach fmax (up-chirp) oder von fmax nach fmin (down-chirp). Datentragende Chirps sind Chirps, die zyklisch verschoben werden, und diese zyklische Verschiebung trägt die Information.

Der Spreizfaktor definiert zwei Grundwerte:

• $2^{SF}$
• die Anzahl der Roh - Bits , die von diesem Symbol codiert werden kann , ist SF

Der Grund ist, dass ein Symbol mit einer Länge von N Chips zyklisch von 0 zu N-1 Positionen verschoben werden kann. Die "Referenz" -Position wird durch die nicht verschobenen Symbole am Anfang des LoRa-Rahmens angegeben. Diese zyklische Verschiebung kann also log2 (N) Informationsbits enthalten. Wenn N eine Zweierpotenz ist, funktioniert die Mathematik gut.

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

Aufgrund von Rauschen führt dieser Modulations- / Demodulationsprozess zu Fehlern, weshalb ein Fehlerkorrekturcode hinzugefügt wird. Für eine typische Nutzlast werden 25% (CR1) oder 50% (CR2) Redundanz hinzugefügt, bevor Chirps moduliert werden. In der Praxis werden die vom Benutzer gesendeten Daten auch gemischt, um bessere Fehlerkorrektureigenschaften zu erzielen.

Rohdatenrate und Fehlerkorrektur definieren die nominelle Datenrate. Um die effektive maximale Datenrate zu erhalten, mit der ein Gerät senden kann, müssen Sie Folgendes berücksichtigen:

• Gegebenenfalls gesetzliches Duty-Cycle-Limit des Bands, in dem Sie emittieren
• Overhead der LoRa-Präambel, des Headers und der CRC für jeden gesendeten Frame (maßgeblicher Einfluss, wenn kurze Frames gesendet werden)
• Overhead Ihres Protokolls für jeden Frame (auch sehr wichtig für kurze Frames)

Bearbeiten:

Ich habe (in rot) die Grenzen von Chirps hinzugefügt, damit der Effekt von zyklischen Verschiebungen leichter zu verstehen ist. Mit Ausnahme einiger Sonderzeichen am Ende der Präambel, die den Beginn eines Frames anzeigen, sind alle Chirps in einem LoRa-Frame exakt gleich lang. Die Frequenz scheint einiges "herumzuspringen", aber es gibt keine Unstetigkeit in der Phase, die zu zahlreichen unerwünschten Harmonischen in der gesamten Band führen würde.

Definitionen

Also, was ist ein Bit , ein Symbol , ein Chip und ein Zwitschern und was bedeuten diese?

Bisschen

Bit ist die kleinste Informationseinheit. Meistens versuchen wir, diese Bits vom Sender (TX) zum Empfänger (RX) zu senden.

Um diese Bits an RX zu senden, müssen sie eine Art Medium durchlaufen, um ihr Ziel zu erreichen. Es kann jedes Metall, Luft, Wasser, Glasfaser usw. sein, jede Art von Medium, das Sie sich vorstellen können.
Sie haben jeweils Vor- und Nachteile und ihre eigenen Macken, aber wir nutzen sie meistens, weil wir die Mängel anderer Medien ausgleichen müssen.
Glasfasern werden verwendet, weil sie im Vergleich zu drahtlosen Übertragungen, bei denen Luft als Medium verwendet wird, Signal mit viel geringerer Dämpfung übertragen können, und im Vergleich zu kupferbasierter Kommunikation, wenn es um große Reichweiten geht, viel weniger kostenintensiv sind.
Der Nachteil dieses Mediums ist, dass Sie keine Energie darüber übertragen können, es wäre sinnlos. Sie können diese Energie am Ende nicht wiederverwenden. Wenn Sie also während der Informationsübertragung etwas mit Energie versorgen möchten, müssen Sie Kupfer verwenden.
Die Bitrate ist die Anzahl der pro Zeiteinheit übertragenen oder verarbeiteten Bits.

Symbol

Wenn Sie über diese verschiedenen Medientypen übertragen möchten, müssen Sie diese Informationsbits so beschreiben und übertragen, dass sie ihr Ziel erreichen.
Ein Symbol stellt ein oder mehrere Datenbits dar. Es kann sich um eine Art Wellenform oder einen Code handeln .
Die Symbolrate ist die Anzahl der Symboländerungen pro Zeiteinheit. Sie kann kleiner oder gleich der Bitrate sein. Die Symbolrate wird auch als Baudrate und Modulationsrate bezeichnet.

Hier ist ein Beispiel, welche Art von Leitungscodes existieren und welche Art von Modulationen .

Chip

Chip ist das grundlegende binäre Element der Datensequenz im Zusammenhang mit Spreizspektrum-Übertragungen, und um Verwirrungen zu vermeiden, haben sie es anders als Bit benannt.

Spread Spectrum ist die Idee, dass Ihre Daten über eine Bandbreite verteilt werden. Auf diese Weise wird die Übertragung redundanter und weniger störanfällig. Wenn Sie die gleiche Zuverlässigkeit erreichen möchten, ohne das Streuspektrum zu verwenden, müssen Sie in einem Schmalband mit relativ hoher Leistung senden. Dies stört andere Übertragungen und widerspricht dem gesamten Punkt der Telekommunikation, dass Sie die Informationen erfolgreich übertragen, ohne die Übertragung anderer zu stören.
Die Chiprate ist die Anzahl der gesendeten oder empfangenen Chips pro Zeiteinheit. Sie ist viel größer als die Symbolrate. Dies bedeutet, dass mehrere Chips ein Symbol darstellen können.

Die Symbolrate ist niedriger als oder gleich der Bitrate, die Chiprate ist höher als die Symbolrate und auch höher als die Bitrate.

In dem Dokument Semtech AN1200.22 auf Seite 9-10 werden die folgenden Formeln verwendet:

Die ersten beiden Gleichungen können verbunden werden: $R_b = SF\cdot R_s$Und wenn Sie dies durch die dritte Gleichung ersetzen, erhalten Sie: $R_c = \cfrac{R_b}{SF} \cdot 2^{SF}$.
Sie können den Spreizfaktor nicht als Null angeben, da Sie mit Null dividieren würden. Die kleinste Zahl, die Sie als Streufaktor eingeben können, ist 1 und im Fall von$100\ bps$wäre die Chiprate $200\ cps$Es gilt also:

Wenn Sie daran interessiert sind, welche anderen Spreizspektrumtechnologien das Chipkonzept verwenden, lesen Sie die Zugriffsmethode Code Division Multiple Access .

Zwitschern

Ein Chirp ist ein Signal, bei dem die Frequenz zunimmt (up-chirp) oder abnimmt (down-chirp). In QPSK, BPSK und vielen Arten der digitalen Modulation verwendeten sie Sinuswellen als Symbole, in CSS jedoch Chirps, die nicht die Spannung / Leistung in der Zeit ändern, sondern die Frequenz in der Zeit.

-Um fortzufahren-
Ich muss die Antwort vom Chipteil überarbeiten, da das Berechnen der Dinge aus den beiden Dokumenten ( 1 , 2 ) nicht das gleiche Ergebnis liefert und im Video immer noch nicht klar ist, was wir als eine annehmen Chip oder ein Symbol im CSS-modulierten Signal.

Ressourcen

Chip

Breites Spektrum

Modulationstechniken

Bit, Symbol und Chiprate

Weiter lesen

Bitrate vs Baudrate

Multiplexing-Techniken

Moderne digitale Modulationstechniken

Theorie der Spreizspektrumkommunikation

Satellitenkommunikationssysteme: Systeme, Techniken und Technologie

Einige Anwendungen und Messungen der Chirp Spread Spectrum (CSS) -Technologie

Digitale Übertragung: Eine simulationsgestützte Einführung mit VisSim / Comm (Signal- und Kommunikationstechnologie)