远程无线低功耗收发控制器设计

林鸿燕

（广东省电子信息高级技工学校 广东 广州 510000）

1 引言

物联网技术飞速发展，使得远距离通信变得可能，但是，偏远地区在实现远程通信的过程中需要耗费大量资金，且功耗普遍偏高。因此，研究远距离传输，其首要任务是提高发射功率，但此举导致本就偏高的功耗急剧增加，所以，远程通信与功耗控制是一对矛盾体[1]。基于此，本文采用Sx1278芯片专供的LoRa扩频通信技术研发远程无线低功耗射频传输模块，期望实现射频IC的低功耗远程无线传输，以此提高传输距离和最大限度的缩减功耗。

2 远程无线低功耗传输关键技术

LoRa扩频通信调制本质是低信噪比下无线通信频率放大技术，即基于扩频调制和向前纠错的融合，借助宽带线性调频脉冲实现对扩频的调制，借助限定时间内的差异调频脉冲实现对程序的编码处理[2]。欧洲以前主要采用FSK调制，其收发控制器的有效通信距离为1～2km。在采用LoRa扩频通信调制后可有效减少FSK调制中继器的使用，其晶振大幅度降低，灵敏度可以达-137dBm。LoRa调制技术能对不高于噪音水平19.5dB的信号做解调处理，且运行在物理层面上，可兼容各种协议、网络架构（网型、星型、点对点等）[3]。

LoRa扩频调制远程通信需要知道彼此的扩频因子，该因子具有对应性传输，而差异因子的关系则为彼此正交。此外，信噪比要有所控制，确保在接收端能正常的对信号进行解调。而LoRa调制是基于信噪比下对信号接受能力提升的有效保障，即对接收器内的灵敏度、链路预算等予以提升。当使用高扩频因子时，借助调频技术可对占用量大的频谱带宽数据予以发出。处在远处的接收端在接受到无线电波后，经由频谱分析设备对信号进行收集，这与无线电波内所具有的噪音无关，但与有用信号是有直接关联的。所以，经由此种特性可在接受信号中提取有用信号[4]。

其次是前向纠错机制。在对LoRa无线链路进行设置时，在关注扩频因子的基础上还要对其他要素予以优化处理，尤其是滞空时间和LoRa传输链路干扰鲁棒性的优化。若要确保传输LoRa调制的可靠性，必须要进行前向纠错，目的是准许对被干扰信号得以恢复。尽管在对数据做编码时使用前向纠错技术要有必要的成本耗费，但使用之后所获取到的数据可较为容易的对错码予以修正[4]。此种机制能处理掉因多径衰落而导致的突发性误码问题，从而实现低功耗。表1表示带宽为250kHz、扩频因子为10的情况下，当出现突发扰动时，编码率的增加对滞空时间的影响。

表1 编码率对滞空时间的影响

由表1可见，当编码率升高时，滞空时间随之变大。这代表接受端要耗费更多的时间对误码予以修正。

此外，将信号带宽放大，虽然能提升数据传输速率，但会导致灵敏度降低。因此，在具体设计时，要充分考虑信道所处的环境以择取最佳带宽，从而实现优化配置，确保通信质量[5]。与窄带调频制相比，宽带所表现出的直接序列调制是存有差异的，借助LoRa调制，能对寄存器做最优设置，以此改善LoRa调制内的带宽和频率，最终使其适应模式的运行[6]。

在对扩频因子选择时，设计者要权衡好滞空时间和带宽的关系，处理好信道中额外噪声问题，避免增加噪声导致的灵敏度降低问题[7]。

本文选取Semtech公司的SX1278模块，本模块中含有三组可编带宽，即500kHz、250kHz、125kHz。设定扩频因子为1、编码率为2为定值，研究10byte大的数据负载包，对应的滞空时间和灵敏度的关系见表2。

表2 不同带宽下滞空时间和灵敏度

由表2可知，经由扩频因子和带宽数值，可完成对LoRa适配状态的考量[8]。

3 硬件模块及上位机设计实现

3.1 系统总体设计方案

图1为远程无线低功耗收发控制器总体设计方案。这便是设计图的工作原理。

图1 系统总体设计方案

由图1可知，本方案外接通信接口包含两个接口（USB和GPIO），经由此接通电脑，实现通信。方案中的MCU作为主控制器，按照PC输送的命令设置RF，且对经由PC输送进来的数据借助射频IC输出，再对接收到的信息上传至PC上位机。

3.2 晶振选型

晶振主要考虑竞争频率容差和加速度敏感度等两个因素。对于前者，LoRa调制技术对收发机之间的初始频率误差和符号率容差不敏感。当链路PER为10%时，频差为+30KH或-30KH，此时LoRa调制能够接受带宽+25%或者-25%上下的频率容差。此种特性雷同于某些高链路预算系统。对于后者，可借助非零加速灵敏度晶振实现锁相环载波（图2）。

图2 加速灵敏度晶振的锁相环载波频谱

由图2的载波频谱可知，晶振加速灵敏度会影响到载波频谱，即晶振加速度会造成瞬时频率的变化。所以，要选取较低灵敏度的晶振，且对其数值控制在32MHz内。如表3，共有四种满足要求的晶振，而在具体运用中是使用第一种。

表3 可选择晶振

此外，核心控制器选取STM32L系列的STM32L51CBT6芯片，射频IC选取Sx1278。

3.3 滤波器选型及设计

无线射频前端模块如图3所示。

图3 无线射频频前端模块

由图3可知，经由天线获取的信号要做声表面波过滤，之后再经由射频IC Sx1278做解调处理，解调后的信号再经由LV滤波器传输到RF射频段，最终通过天线传输出去。此过程需要对获取的信号做干扰处理，以此提升无线模块的抗干扰能力。

（1）发射电路中滤波器选型

经由射频IC Sx1278所传输的信号，其中心频率是433MHz，需在系统中接入一个滤波器，以此实现对433MHz上下的信号经由射频开关和天线而放射出去。而要获取较好的效果，则要使用声面滤波器，其型号是ACTF4006，可通过的中心频率为433.92MHz。此款滤波器所能达到的最低插入损耗为2.5dB。当损耗为3dB时，带通频宽最高为750KMz。

（2）接收电路中滤波器设计

设计接收电路中的滤波器时，选用电容和电感搭建的低通椭圆滤波器，其所依托的软件是Advanced Design System仿真软件，按照射频IC中的工作频率433MHz、阻抗50欧姆，在ADS的选用上，使用的是Filter DG-ALL下的低通滤波器组件，图4为通带截止频率Fp=440MHz、阻带截止频率Fs=450MHz的低通椭圆滤波器。

图4 接收电路椭圆滤波器原理图

在实际使用过程中，低通椭圆滤波器中的电感、电容并不存在，因此，根据本文选取的工作频率433MHz，经过ADS仿真后，可以得到接收信号后的S11、S12分别为-4.156dB、-2.113dB。

4 模块测试

对此模块的测试，主要是从两个方面进行，即低功耗和远程。图5是使用直流电源和万能表以完成对功耗的测定。

在具体的测试中，是使用3.3V直流电压。之所以不使用SV供电，原因是USB接口主要为PC接入提供方便，进而实现驱动程序中对无线模块和其上的MCU做通信，而非主供电作用。

图5 无线模块功耗测试示意图

4.1 接收灵敏度测试

此项测试在室内进行，在收发中间安置干扰隔离，所用电流为直流电，所以，当将收发端距离和干扰隔离扩大至PER＞0，在接收端将噪音功率设定为-94.42dBm，信号频率峰值设定在-83.42dBm，测试结果如图6、图7所示。基于上述的数据，按照下式（1）可得出接收端的灵敏度值，即-126.96dBm。

图6 接收灵敏度测试接收端频谱图

图7 接收灵敏度测试接收端频谱图

4.2 无线模块通信性能测试

（1）频谱仪输出功率测试

对频谱设备做输出功率的测试，先要对设备的程序进行编程，从而实现最大输出功率。然后对测定结果进行观察，即图8，可以得出，借助小米充电宝为供电方式且在中心频率为434.3MHz下，其所输出的最大功率为18.50dBm。经由下式（2）可算出此模块中设计的输出功率为70.80mW。这和期望值100mW是有差距的。

图8 频谱测试图

图9 示波器测试图

（2）示波器波形输出测试

借助示波器对无线模块的波形做深度测试，可判定出其所需波段是否符合要求。将无线模块中的SMA接入示波器，经检测后得出结果如图9，无线模块在430.202MHz频段输出发射信号的波形图。

5 结语

本文设计一种远程无线低功耗收发控制器模块，使用LoRa扩频调制技术，实现系统总方案的远程低功耗。实验测试结果表明此收发控制器模块能够实现距离为3154.46m的无丢包传输和4851.13m的无断线传输，且最低待机功耗为11.62mW，发射功耗为401.71mW，接收功耗为90.09mW。最终达到了-126.95dBm的接收灵敏度。

[1]宫恩来，许亮.基于STM32的无线LED信息发布系统研究[J].数字技术与应用，2017(1)：81.

[2]赵太飞，陈伦斌，袁麓等.基于LoRa的智能抄表系统设计与实现[J].计算机测量与控制，2016(9)：298-301.

[3]郑浩.LoRa技术在低功耗广域网络中的实现和应用[J].信息通信技术，2017(1)：19-26.

[4]黄增波，叶锦娇，赵华玮.基于LoRa技术的低功耗无线锚杆应力传感器设计[J].煤矿现代化，2017(1)：39-42.

[5]杨奕，杨川，周川云.基于STM32的低功耗红外光通信系统设计[J].中国测试，2015，41(9)：96-100.

[6]严冬，王瑞涛，陈俊生.基于STM32的低功耗无线传感器节点的设计与实现[J].科技视界，2014(2)：64-65.

[7]丁月林.基于STM32的低功耗温湿度采集器实现[J].软件，2015(5)：84-88.

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