Entender la relación entre chips LoRa, chirps, símbolos y bits

Question

Entender la relación entre chips LoRa, chirps, símbolos y bits

Preguntado el 3 de Enero, 2017: Cuando se hizo la pregunta
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Intento comprender la relación real entre los chips LoRa, los "chirridos", los símbolos y los bits. No me refiero sólo a las ecuaciones que relacionan las distintas tasas, sino realmente a cómo se relacionan estas cosas cuantitativamente.

El documento de Semtech AN1200.22 Conceptos básicos de la modulación LoRa™. contiene algunas ecuaciones y definiciones básicas relacionadas con diversos tipos. Por lo que puedo entender, la tasa de chip CR siempre va a ser numéricamente igual al ancho de banda seleccionado. Así que si el ancho de banda seleccionado = 125 kHz, la tasa de chips es de 125.000 chips/segundo. El símbolo BW se utiliza entonces indistintamente con la tasa de chips.

El factor de dispersión relaciona fichas y símbolos. \$2^{SF} chips = 1 \ symbol\$ . Por tanto, la tasa de símbolos SR está relacionada con la tasa de chips (como BW):

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

En la implementación de la modulación LoRa, cada 4 bits de datos se codificarán como 5, 6, 7 u 8 bits totales como forma de corrección de errores hacia delante, y estos se seleccionan estableciendo la tasa de codificación CR = 1, 2, 3, 4. Por tanto, la tasa real de bits de datos de usuario debe reducirse en el factor:

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

Con esto concluyo lo que creo que entiendo hasta ahora. No sé lo que fichas o símbolos son en realidad . Por ejemplo, hay un término SF adicional en la relación final entre ancho de banda y velocidad binaria bruta, que no entiendo.

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

Esto dice que un símbolo equivale a bits SR, o entre 6 y 12 bits en los ajustes disponibles de LoRa. ¿Es correcto?

He encontrado aquí (también, ver después de las 13:00 en este vídeo EDITAR: vídeo de la charla más reciente y en profundidad ) una definición de la tasa de chirp como la primera derivada temporal de la frecuencia df/dt. Eso le daría unidades de \$time^{-2}\$ pero la expresión que se muestra allí es diferente. Tal vez sea el índice de barridos completos (chirridos), en lugar de la tasa de cambio de frecuencia?

arriba: captura de pantalla de aquí .

Pregunta: ¿Cuál es la relación entre los chips y los "chirridos"? ¿Se pueden distinguir visualmente los chips en los espectrogramas? ¿Se puede ver dónde empieza y acaba cada chip? Además, ¿hay realmente entre 6 y 12 bits por símbolo?

A continuación se muestran algunas ilustraciones de espectrogramas de señales LoRa. Parece que durante cada chirrido, hay aproximadamente una media de un cambio instantáneo en la frecuencia por período de chirrido nominal, pero no sé si esto es así en general.

arriba: Espectrograma LoRa de LinkLabs: "¿Qué es LoRa?" .

arriba: Espectrograma LoRa de Descodificación del protocolo LoRa IOT con una RTL-SDR .

arriba: captura de pantalla de Invertir LoRa (PDF).

arriba: de Descodificación de LoRa - recortado de aquí .

Preguntado el 3 de Enero, 2017 por zanony

Answer 1

2 Respuestas

Answer 2

10voto

Scott Puntos 21

LoRa es una modulación de espectro ensanchado basada en chirp. A símbolo es un chirp .

Para generar símbolos/chirps, el módem modula la fase de un oscilador. El número de veces por segundo que el módem ajusta la fase se denomina velocidad de chip y define el ancho de banda de modulación . La velocidad del chip es una subdivisión directa de la frecuencia del cuarzo (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)

Los chirps básicos son simplemente una rampa de fmin a fmax (up-chirp) o de fmax a fmin (down-chirp). Los chirps portadores de datos son chirps que se desplazan cíclicamente, y este desplazamiento cíclico transporta la información.

En factor de dispersión define dos valores fundamentales:

el número de fichas que contiene cada símbolo es \$ 2^{SF} \$
el número de en bruto bits que puede codificar ese símbolo es SF

La razón es que un símbolo, con una longitud de N fichas, puede desplazarse cíclicamente de 0 a N-1 posiciones. La posición de "referencia" viene dada por los símbolos no desplazados al principio de la trama LoRa. Por tanto, este desplazamiento cíclico puede transportar log2(N) bits de información. Si N es una potencia de dos, las matemáticas funcionan bien.

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

Debido al ruido, este proceso de modulación/demodulación introduce errores, y por eso se añade un código de corrección de errores. Para una carga útil típica, se añade un 25% (CR1) o un 50% (CR2) de redundancia antes de modular los chirridos. En la práctica, los datos enviados por el usuario también se mezclan para obtener mejores propiedades de corrección de errores.

La tasa de datos brutos y la corrección de errores definen la tasa de datos nominal. Para obtener la velocidad de datos máxima efectiva a la que puede transmitir un dispositivo, hay que tener en cuenta:

límite legal de ciclo de trabajo, si procede, de la banda en la que emite.
sobrecarga del preámbulo LoRa, cabecera y CRC para cada trama enviada (influencia significativa cuando se envían tramas cortas)
sobrecarga de su protocolo para cada fotograma (también muy importante para fotogramas cortos)

Edita:

He añadido (en rojo) los límites de los chirridos para que el efecto de los cambios cíclicos sea más fácil de entender. Salvo unos pocos símbolos especiales al final del preámbulo que indican el inicio de la trama, todos los chirps de una trama LoRa tienen exactamente la misma longitud. La frecuencia parece "saltar" un poco, pero no hay discontinuidad en la fase, lo que provocaría una gran cantidad de armónicos no deseados en toda la banda.

Respondido el 14 de Mayo, 2017 por Scott (21 Puntos )

Answer 3

5voto

Freedom Puntos 11

Definiciones

Entonces, ¿qué es un bit , símbolo , chip y chirp ¿Qué significan?

Bit

El bit es la unidad más pequeña de información. La mayoría de las veces, intentamos enviar estos bits desde el emisor (TX) al receptor (RX).

Para enviar estos bits a RX, tienen que pasar por algún tipo de medio para llegar a su destino. Puede ser cualquier metal, aire, agua, fibra óptica, etc., cualquier tipo de medio que puedas imaginar.
Cada uno tiene sus ventajas, sus inconvenientes y sus peculiaridades, pero la mayoría los utilizamos porque necesitamos compensar las carencias de otros medios.
La fibra óptica se utiliza porque transmite mejor la señal con mucha menos atenuación en comparación con la transmisión inalámbrica, que utiliza el aire como medio, y mucho menos costosa en comparación con la comunicación basada en el cobre si hablamos de largos alcances.
La desventaja de este medio es que no se puede transmitir energía a través de él, no tendría sentido. Al final no se puede reutilizar esta energía, así que si quieres alimentar algo mientras transmites información, tendrás que usar cobre.
La tasa de bits es el número de bits transmitidos o procesados por unidad de tiempo.

$$Bit\ rate = R_b$$

Símbolo

Si quieres transmitir a través de estos diferentes tipos de medios, tienes que describir y transmitir esos bits de información de manera que lleguen a su destino.
Un símbolo representa uno o más bits de datos, puede ser un tipo de forma de onda o un icono. código .
La tasa de símbolos es el número de cambios de símbolo por unidad de tiempo, puede ser igual o inferior a la tasa de bits. La tasa de símbolos también se conoce como tasa de baudios y tasa de modulación.

Aquí es un ejemplo qué tipo de códigos de línea existen, y qué tipo de modulaciones .

$$Symbol\ rate = R_s$$

Chip

Chip es el elemento binario básico de la secuencia de datos en el contexto de las transmisiones de espectro ensanchado y, para evitar confusiones, lo denominaron de forma diferente a bit.

Espectro ensanchado es la idea de tener los datos repartidos por un ancho de banda, de esta forma la transmisión será más redundante, menos propensa a interferencias. Si se quiere alcanzar la misma fiabilidad sin utilizar el espectro ensanchado, habrá que transmitir en una banda estrecha con una potencia relativamente alta. Esto interfiere con otras transmisiones y va en contra del objetivo de las telecomunicaciones: transmitir la información con éxito sin molestar a nadie.
Tasa de virutas es el número de chips transmitidos o recibidos por unidad de tiempo, y es mucho mayor que la tasa de símbolos, lo que significa que varios chips pueden representar un símbolo.

$$Chip\ rate = R_c$$

La tasa de símbolos es inferior o igual a la tasa de bits, la tasa de chips es superior a la tasa de símbolos y también superior a la tasa de bits.

En el Documento Semtech AN1200.22 en la página 9-10 se utilizan las siguientes fórmulas:

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

Las dos primeras ecuaciones se pueden unir, será: \$R_b = SF\cdot R_s\$ y si sustituyes esto a la tercera ecuación, obtienes: \$R_c = \cfrac{R_b}{SF} \cdot 2^{SF}\$ .
No puedes tener el factor de dispersión como cero, porque dividirías con cero. El número más pequeño que puede introducir como factor de dispersión es 1, y en el caso de \$100\ bps\$ la tasa de chips sería \$200\ cps\$ por lo que es cierto, que:

$$R_c > R_b > R_s$$

Si le interesa saber qué otras tecnologías de espectro ensanchado existen que utilicen el concepto de chip, consulte el método de acceso Acceso múltiple por división de código .

Chirp

Un chirrido es una señal en la que la frecuencia aumenta (chirrido ascendente) o disminuye (chirrido descendente). En QPSK, BPSK y muchos otros tipos de modulación digital, se utilizan ondas sinusoidales como símbolos, pero en CSS se utilizan chirps, que no varían la tensión/potencia en el tiempo, sino la frecuencia en el tiempo.

-Seguirá-
Tengo que revisar la respuesta de la parte del chip, porque calcular las cosas a partir de los dos documentos ( 1 , 2 ) no da el mismo resultado, y en el vídeo sigue sin estar claro qué tomamos por chip o por símbolo en la señal modulada CSS.