遠程無線低功耗收發控制器設計

林鴻燕

（廣東省電子信息高級技工學校 廣東 廣州 510000）

1 引言

物聯網技術飛速發展，使得遠距離通信變得可能，但是，偏遠地區在實現遠程通信的過程中需要耗費大量資金，且功耗普遍偏高。因此，研究遠距離傳輸，其首要任務是提高發射功率，但此舉導致本就偏高的功耗急劇增加，所以，遠程通信與功耗控制是一對矛盾體[1]。基于此，本文采用Sx1278芯片專供的LoRa擴頻通信技術研發遠程無線低功耗射頻傳輸模塊，期望實現射頻IC的低功耗遠程無線傳輸，以此提高傳輸距離和最大限度的縮減功耗。

2 遠程無線低功耗傳輸關鍵技術

LoRa擴頻通信調制本質是低信噪比下無線通信頻率放大技術，即基于擴頻調制和向前糾錯的融合，借助寬帶線性調頻脈沖實現對擴頻的調制，借助限定時間內的差異調頻脈沖實現對程序的編碼處理[2]。歐洲以前主要采用FSK調制，其收發控制器的有效通信距離為1～2km。在采用LoRa擴頻通信調制后可有效減少FSK調制中繼器的使用，其晶振大幅度降低，靈敏度可以達-137dBm。LoRa調制技術能對不高于噪音水平19.5dB的信號做解調處理，且運行在物理層面上，可兼容各種協議、網絡架構（網型、星型、點對點等）[3]。

LoRa擴頻調制遠程通信需要知道彼此的擴頻因子，該因子具有對應性傳輸，而差異因子的關系則為彼此正交。此外，信噪比要有所控制，確保在接收端能正常的對信號進行解調。而LoRa調制是基于信噪比下對信號接受能力提升的有效保障，即對接收器內的靈敏度、鏈路預算等予以提升。當使用高擴頻因子時，借助調頻技術可對占用量大的頻譜帶寬數據予以發出。處在遠處的接收端在接受到無線電波后，經由頻譜分析設備對信號進行收集，這與無線電波內所具有的噪音無關，但與有用信號是有直接關聯的。所以，經由此種特性可在接受信號中提取有用信號[4]。

其次是前向糾錯機制。在對LoRa無線鏈路進行設置時，在關注擴頻因子的基礎上還要對其他要素予以優化處理，尤其是滯空時間和LoRa傳輸鏈路干擾魯棒性的優化。若要確保傳輸LoRa調制的可靠性，必須要進行前向糾錯，目的是準許對被干擾信號得以恢復。盡管在對數據做編碼時使用前向糾錯技術要有必要的成本耗費，但使用之后所獲取到的數據可較為容易的對錯碼予以修正[4]。此種機制能處理掉因多徑衰落而導致的突發性誤碼問題，從而實現低功耗。表1表示帶寬為250kHz、擴頻因子為10的情況下，當出現突發擾動時，編碼率的增加對滯空時間的影響。

表1 編碼率對滯空時間的影響

由表1可見，當編碼率升高時，滯空時間隨之變大。這代表接受端要耗費更多的時間對誤碼予以修正。

此外，將信號帶寬放大，雖然能提升數據傳輸速率，但會導致靈敏度降低。因此，在具體設計時，要充分考慮信道所處的環境以擇取最佳帶寬，從而實現優化配置，確保通信質量[5]。與窄帶調頻制相比，寬帶所表現出的直接序列調制是存有差異的，借助LoRa調制，能對寄存器做最優設置，以此改善LoRa調制內的帶寬和頻率，最終使其適應模式的運行[6]。

在對擴頻因子選擇時，設計者要權衡好滯空時間和帶寬的關系，處理好信道中額外噪聲問題，避免增加噪聲導致的靈敏度降低問題[7]。

本文選取Semtech公司的SX1278模塊，本模塊中含有三組可編帶寬，即500kHz、250kHz、125kHz。設定擴頻因子為1、編碼率為2為定值，研究10byte大的數據負載包，對應的滯空時間和靈敏度的關系見表2。

表2 不同帶寬下滯空時間和靈敏度

由表2可知，經由擴頻因子和帶寬數值，可完成對LoRa適配狀態的考量[8]。

3 硬件模塊及上位機設計實現

3.1 系統總體設計方案

圖1為遠程無線低功耗收發控制器總體設計方案。這便是設計圖的工作原理。

圖1 系統總體設計方案

由圖1可知，本方案外接通信接口包含兩個接口（USB和GPIO），經由此接通電腦，實現通信。方案中的MCU作為主控制器，按照PC輸送的命令設置RF，且對經由PC輸送進來的數據借助射頻IC輸出，再對接收到的信息上傳至PC上位機。

3.2 晶振選型

晶振主要考慮競爭頻率容差和加速度敏感度等兩個因素。對于前者，LoRa調制技術對收發機之間的初始頻率誤差和符號率容差不敏感。當鏈路PER為10%時，頻差為+30KH或-30KH，此時LoRa調制能夠接受帶寬+25%或者-25%上下的頻率容差。此種特性雷同于某些高鏈路預算系統。對于后者，可借助非零加速靈敏度晶振實現鎖相環載波（圖2）。

圖2 加速靈敏度晶振的鎖相環載波頻譜

由圖2的載波頻譜可知，晶振加速靈敏度會影響到載波頻譜，即晶振加速度會造成瞬時頻率的變化。所以，要選取較低靈敏度的晶振，且對其數值控制在32MHz內。如表3，共有四種滿足要求的晶振，而在具體運用中是使用第一種。

表3 可選擇晶振

此外，核心控制器選取STM32L系列的STM32L51CBT6芯片，射頻IC選取Sx1278。

3.3 濾波器選型及設計

無線射頻前端模塊如圖3所示。

圖3 無線射頻頻前端模塊

由圖3可知，經由天線獲取的信號要做聲表面波過濾，之后再經由射頻IC Sx1278做解調處理，解調后的信號再經由LV濾波器傳輸到RF射頻段，最終通過天線傳輸出去。此過程需要對獲取的信號做干擾處理，以此提升無線模塊的抗干擾能力。

（1）發射電路中濾波器選型

經由射頻IC Sx1278所傳輸的信號，其中心頻率是433MHz，需在系統中接入一個濾波器，以此實現對433MHz上下的信號經由射頻開關和天線而放射出去。而要獲取較好的效果，則要使用聲面濾波器，其型號是ACTF4006，可通過的中心頻率為433.92MHz。此款濾波器所能達到的最低插入損耗為2.5dB。當損耗為3dB時，帶通頻寬最高為750KMz。

（2）接收電路中濾波器設計

設計接收電路中的濾波器時，選用電容和電感搭建的低通橢圓濾波器，其所依托的軟件是Advanced Design System仿真軟件，按照射頻IC中的工作頻率433MHz、阻抗50歐姆，在ADS的選用上，使用的是Filter DG-ALL下的低通濾波器組件，圖4為通帶截止頻率Fp=440MHz、阻帶截止頻率Fs=450MHz的低通橢圓濾波器。

圖4 接收電路橢圓濾波器原理圖

在實際使用過程中，低通橢圓濾波器中的電感、電容并不存在，因此，根據本文選取的工作頻率433MHz，經過ADS仿真后，可以得到接收信號后的S11、S12分別為-4.156dB、-2.113dB。

4 模塊測試

對此模塊的測試，主要是從兩個方面進行，即低功耗和遠程。圖5是使用直流電源和萬能表以完成對功耗的測定。

在具體的測試中，是使用3.3V直流電壓。之所以不使用SV供電，原因是USB接口主要為PC接入提供方便，進而實現驅動程序中對無線模塊和其上的MCU做通信，而非主供電作用。

圖5 無線模塊功耗測試示意圖

4.1 接收靈敏度測試

此項測試在室內進行，在收發中間安置干擾隔離，所用電流為直流電，所以，當將收發端距離和干擾隔離擴大至PER＞0，在接收端將噪音功率設定為-94.42dBm，信號頻率峰值設定在-83.42dBm，測試結果如圖6、圖7所示。基于上述的數據，按照下式（1）可得出接收端的靈敏度值，即-126.96dBm。

圖6 接收靈敏度測試接收端頻譜圖

圖7 接收靈敏度測試接收端頻譜圖

4.2 無線模塊通信性能測試

（1）頻譜儀輸出功率測試

對頻譜設備做輸出功率的測試，先要對設備的程序進行編程，從而實現最大輸出功率。然后對測定結果進行觀察，即圖8，可以得出，借助小米充電寶為供電方式且在中心頻率為434.3MHz下，其所輸出的最大功率為18.50dBm。經由下式（2）可算出此模塊中設計的輸出功率為70.80mW。這和期望值100mW是有差距的。

圖8 頻譜測試圖

圖9 示波器測試圖

（2）示波器波形輸出測試

借助示波器對無線模塊的波形做深度測試，可判定出其所需波段是否符合要求。將無線模塊中的SMA接入示波器，經檢測后得出結果如圖9，無線模塊在430.202MHz頻段輸出發射信號的波形圖。

5 結語

本文設計一種遠程無線低功耗收發控制器模塊，使用LoRa擴頻調制技術，實現系統總方案的遠程低功耗。實驗測試結果表明此收發控制器模塊能夠實現距離為3154.46m的無丟包傳輸和4851.13m的無斷線傳輸，且最低待機功耗為11.62mW，發射功耗為401.71mW，接收功耗為90.09mW。最終達到了-126.95dBm的接收靈敏度。

[1]宮恩來，許亮.基于STM32的無線LED信息發布系統研究[J].數字技術與應用，2017(1)：81.

[2]趙太飛，陳倫斌，袁麓等.基于LoRa的智能抄表系統設計與實現[J].計算機測量與控制，2016(9)：298-301.

[3]鄭浩.LoRa技術在低功耗廣域網絡中的實現和應用[J].信息通信技術，2017(1)：19-26.

[4]黃增波，葉錦嬌，趙華瑋.基于LoRa技術的低功耗無線錨桿應力傳感器設計[J].煤礦現代化，2017(1)：39-42.

[5]楊奕，楊川，周川云.基于STM32的低功耗紅外光通信系統設計[J].中國測試，2015，41(9)：96-100.

[6]嚴冬，王瑞濤，陳俊生.基于STM32的低功耗無線傳感器節點的設計與實現[J].科技視界，2014(2)：64-65.

[7]丁月林.基于STM32的低功耗溫濕度采集器實現[J].軟件，2015(5)：84-88.

[8]張紅文.低功耗無線收發電路系統設計[J].現代電子技術，2014(21)：135-138.