Memahami hubungan antara chip LoRa, celetuk, simbol, dan bit

Saya mencoba memahami hubungan aktual antara chip LoRa, "celetuk", simbol dan bit. Maksud saya bukan hanya persamaan yang menghubungkan berbagai tingkat, tetapi sebenarnya bagaimana hal ini berhubungan secara kuantitatif.

Dokumen Semtech AN1200.22 Dasar - dasar Modulasi LoRa ™ berisi beberapa persamaan dasar dan definisi yang terkait dengan berbagai tarif. Sejauh yang saya bisa mengerti, chip rate CR selalu akan secara numerik sama dengan bandwidth yang dipilih. Jadi jika bandwidth yang dipilih = 125 kHz, tingkat chip adalah 125.000 chip / detik. Simbol BW kemudian digunakan secara bergantian dengan laju chip.

Faktor penyebaran berhubungan dengan chip dan simbol. . Jadi SR rate simbol terkait dengan laju chip (seperti BW): $2^{SF} chips = 1 \ symbol$

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

Dalam implementasi modulasi LoRa, setiap 4 bit data akan dikodekan sebagai 5, 6, 7, atau 8 total bit sebagai bentuk koreksi kesalahan maju, dan ini dipilih dengan mengatur laju pengkodean CR = 1, 2, 3, 4. Jadi laju aktual bit data pengguna harus dikurangi dengan faktor:

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

Ini menyimpulkan apa yang saya pikir saya mengerti sejauh ini. Saya tidak tahu apa chip atau simbol sebenarnya . Sebagai contoh, ada istilah SF tambahan dalam hubungan akhir antara bandwidth dan bit rate mentah, yang saya tidak mengerti.

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

Ini mengatakan bahwa satu simbol setara dengan bit SR, atau antara 6 dan 12 bit dalam pengaturan LoRa yang tersedia. Apakah itu benar?

Saya telah menemukan di sini (juga, menonton setelah 13:00 dalam video ini EDIT: video dari pembicaraan yang lebih baru dan lebih mendalam ) definisi tingkat kicauan sebagai turunan pertama dari frekuensi df / dt. Itu akan memberikan unit tetapi ekspresi yang ditunjukkan di sana berbeda. Mungkin ini tingkat penyapuan lengkap (kicauan), bukan tingkat perubahan frekuensi? $time^{-2}$

di atas: tangkapan layar dari sini .

Pertanyaan: Apa hubungan antara chip dan "celetuk" - dapatkah chip dibedakan secara visual dalam spektrogram - dapatkah seseorang melihat di mana setiap chip dimulai dan berakhir? Juga, apakah memang ada antara 6 dan 12 bit per simbol?

Di bawah ini adalah beberapa ilustrasi spektogram sinyal LoRa. Sepertinya selama setiap kicauan, ada kira-kira rata-rata satu perubahan frekuensi sesaat per periode kicauan nominal, tetapi saya tidak tahu apakah itu berlaku secara umum.

di atas: Spektrogram LoRa dari LinkLabs: "Apa itu LoRa?" .

di atas: Spektogram LoRa dari Decoding the LoRa IOT Protocol dengan RTL-SDR .

di atas: tangkapan layar dari Reversing LoRa (PDF).

di atas: dari Decoding LoRa - dipangkas dari sini .

— uh oh
sumber

Ini jawaban terkait .

— uhoh

Pernahkah Anda melihat pembicaraan Matt Knight tentang LoRa Phy di 33c3? media.ccc.de/v/33c3-7945-decoding_the_lora_phy - ini adalah "versi perluasan & peningkatan" dari pembicaraan yang diadakannya di GRCon (keduanya sangat keren untuk dilihat langsung) (Anda menautkan ke slide dari bukunya "Reversing LoRa "bicara di GRCon)

— Marcus Müller

@ MarcusMüller Saya menontonnya sekarang - ini jauh lebih bermanfaat daripada video lama - Saya akan mengedit pertanyaan saya untuk menyertakan tautan baru - Terima kasih !! Tapi saya masih tidak mengerti bagaimana laju kicauan (df / dt) dapat memiliki satuan waktu

^{- 1}

${}^{-1}$

^{- 2}

${}^{-2}$

@ Andreas tertarik dengan LoRa? 1) Reversing LoRa (pdf) , 2) Mendekode LoRa PHY (video luar biasa) , 3) Linklabs: Apa itu LoRa? , 4) Decoding LoRa

— uhoh

@ mike65535 terima kasih untuk hasil edit! Ya sementara SEMATECH adalah segalanya, Semtech sangat berbeda. Pasti memori otot .

— uhoh

Jawaban:

LoRa adalah modulasi spread-spectrum berbasis kicauan. Sebuah simbol adalah kicauan .

Untuk menghasilkan simbol / celetuk, modem memodulasi fase osilator. Jumlah kali per detik yang digunakan modem untuk menyesuaikan fase disebut tingkat chip dan menentukan bandwidth modulasi . Chip rate adalah pembagian langsung dari frekuensi kuarsa (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)

Kicauan dasar hanyalah jalan dari fmin ke fmax (up-chirp) atau fmax ke fmin (down-chirp). Kicauan pembawa data adalah kicauan yang bergeser secara siklikal, dan pergeseran siklus ini membawa informasi.

The faktor penyebaran mendefinisikan dua nilai-nilai fundamental:

$2^{SF}$
jumlah bit mentah yang dapat dikodekan oleh simbol itu adalah SF

Alasannya adalah bahwa simbol, dengan panjang chip N, dapat digeser secara siklis dari posisi 0 ke posisi N-1. Posisi "referensi" diberikan oleh simbol yang tidak bergeser di awal bingkai LoRa. Jadi perubahan siklus ini dapat membawa bit informasi log2 (N). Jika N adalah kekuatan dua, matematika bekerja dengan baik.

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

Karena kebisingan, proses modulasi / demodulasi ini menghadirkan kesalahan, dan itulah sebabnya ditambahkan kode koreksi kesalahan. Untuk muatan tipikal, 25% (CR1) atau 50% (CR2) dari redundansi ditambahkan sebelum memodulasi celetuk. Dalam praktiknya, data yang dikirim oleh pengguna juga dicampur untuk mendapatkan properti koreksi kesalahan yang lebih baik.

Koreksi laju data mentah dan koreksi kesalahan menentukan laju data nominal. Untuk mendapatkan kecepatan data maksimum yang efektif yang dapat ditransmisikan suatu perangkat, Anda harus mempertimbangkan:

batas siklus siklus hukum, jika berlaku, dari band tempat Anda memancarkan
overhead pembukaan, header, dan CRC LoRa untuk setiap frame yang dikirim (pengaruh signifikan ketika frame pendek dikirim)
overhead protokol Anda untuk setiap frame (juga sangat penting untuk frame pendek)

Edit:

Saya telah menambahkan (berwarna merah) batas-batas celetuk sehingga efek dari pergantian siklus lebih mudah dipahami. Kecuali untuk beberapa simbol khusus di akhir pembukaan yang menandakan dimulainya bingkai, semua kicauan dalam bingkai LoRa adalah panjang yang sama persis. Frekuensi tampaknya "melompat-lompat" sedikit, tetapi tidak ada diskontinuitas dalam fase yang akan menyebabkan sejumlah besar harmonisa yang tidak diinginkan di sekitar band.

— Sylvain
sumber

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

$f_{max}-f_{min}$

"Ketidakberesan" dan "langkah" disebabkan oleh pergantian siklik. Kicauan yang tidak bergeser dimulai dari fmin, dan berakhir di fmax. Siklus kicauan-bergeser dengan 2 ^ (SF-1) sampel dimulai pada (fmin + fmax) / 2, landai hingga fmax di setengah panjang kicauan, kemudian melompat ke fmin segera, kemudian landai ke (fmin + fmax) / 2 di akhir kicauan.

— Sylvain

f_{m i n}

$f_{min}$

Saya masih terjebak pada bit / simbol ~ SF. Ini terlihat seperti sesuatu yang jelas dan dikenal oleh orang yang mengerti sinyal, tetapi saya belum melihat alasannya. Bisakah Anda mengarahkan saya ke suatu tempat yang bisa saya baca lebih lanjut? Saya hanya perlu "aha!" ketik petunjuk. Terima kasih! Sepertinya LoRa telah menjadi pengalaman belajar yang sangat menyenangkan bagi saya.

— uhoh

Saya menghabiskan 24 jam terakhir untuk masuk ke LoRa dan menemukan pertanyaan ini. Saya juga terjebak dengan tingkat kicauan dan bagaimana orang dapat melihat chip yang berbeda dalam kicauan dan sebagainya. Saya tidak suka kedua jawaban di sini karena mereka tidak membahas bagian yang berlabel Pertanyaan: Jika saya punya waktu saya akan menulis jawaban saya sendiri, hingga saat itu saya akan menyarankan untuk membaca paten ini . Jawaban ini sebenarnya adalah bit informasi yang diacak dari dokumen ini. Terima kasih banyak atas contohnya dan terutama untuk menggambar batas-batas celetuk ini benar-benar membantu!

— Felix Crazzolara

Definisi

Jadi, apa yang sedikit , simbol , keripik , dan kicauan , dan apa artinya ini?

Sedikit

Bit adalah unit informasi terkecil. Sebagian besar waktu, kami mencoba mengirimkan bit-bit ini dari pengirim (TX) ke penerima (RX).

Untuk mengirim bit ini ke RX, mereka harus melalui beberapa jenis media untuk mencapai tujuan mereka. Itu bisa berupa logam, udara, air, serat optik, dll., Segala jenis media yang dapat Anda bayangkan.
Mereka masing-masing memiliki kelebihan, kekurangan, dan kebiasaan mereka sendiri, tetapi kebanyakan kita menggunakannya karena kita perlu mengkompensasi kekurangan media lain.
Serat optik digunakan karena mereka lebih baik dalam mentransmisikan sinyal dengan jauh lebih sedikit. redaman dibandingkan dengan transmisi nirkabel yang menggunakan udara sebagai media, dan jauh lebih murah dibandingkan dengan komunikasi berbasis tembaga jika kita berbicara tentang jarak jauh.
Kerugian dari media ini adalah bahwa Anda tidak dapat mentransmisikan daya di atasnya, itu akan sia-sia. Anda tidak dapat menggunakan kembali daya ini pada akhirnya, jadi jika Anda ingin menyalakan sesuatu saat Anda mengirimkan informasi, Anda harus menggunakan tembaga.
Bit rate adalah jumlah bit yang dikirimkan atau diproses per unit waktu.

B saya t r Sebuah t e = R_{b}

$Bit\ rate = R_b$

Simbol

Jika Anda ingin mentransmisikan melalui berbagai jenis media ini, Anda harus menjelaskan dan mentransmisikan bit-bit informasi dengan cara, sehingga akan mencapai tujuannya.
Simbol mewakili satu, atau lebih banyak bit data, bisa berupa tipe gelombang, atau kode .
Kecepatan simbol adalah jumlah perubahan simbol per unit waktu, bisa sama dengan atau kurang dari laju bit. Symbol rate juga dikenal sebagai baud rate dan modulation rate.

Berikut adalah contoh kode baris seperti apa yang ada, dan modulasi macam apa .

S y m b Hai l r Sebuah t e = R_{s}

$Symbol\ rate = R_s$

Chip

Chip adalah elemen biner dasar dari urutan data dalam konteks transmisi spread spectrum, dan untuk menghindari kebingungan, mereka menamainya secara berbeda dari bit.

Spread spectrum adalah ide untuk menyebarkan data Anda melalui bandwidth, dengan cara ini transmisi akan menjadi lebih redundan, kurang rentan terhadap gangguan. Jika Anda ingin mencapai keandalan yang sama tanpa menggunakan spread spectrum, Anda harus mentransmisikan dalam pita sempit dengan daya yang relatif tinggi. Ini macet transmisi lain, dan bertentangan dengan seluruh titik telekomunikasi, bahwa Anda berhasil mengirimkan informasi, tanpa mengganggu transmisi orang lain.
Tingkat chip adalah jumlah chip yang dikirim atau diterima per unit waktu, dan itu jauh lebih besar dari laju simbol, yang berarti bahwa beberapa chip dapat mewakili satu simbol.

C h saya hal r Sebuah t e = R_{c}

$Chip\ rate = R_c$

Kecepatan simbol lebih rendah dari atau sama dengan laju bit, laju chip lebih tinggi dari laju simbol dan juga lebih tinggi dari laju bit.

Dalam dokumen Semtech AN1200.22 di halaman 9-10 rumus berikut digunakan:

R_{b} = S F \cdot \frac{B W}{2^{S F}} R_{s} = \frac{B W}{2^{S F}} R_{c} = R_{s} \cdot 2^{S F}

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

Dua persamaan pertama dapat digabungkan, itu akan menjadi: $R_b = SF\cdot R_s$ , dan jika Anda mengganti ini dengan persamaan ketiga, Anda mendapatkan: $R_c = \cfrac{R_b}{SF} \cdot 2^{SF}$ .
Anda tidak dapat memiliki faktor penyebaran sebagai nol, karena Anda akan membaginya dengan nol. Angka terkecil yang dapat Anda masukkan sebagai faktor penyebaran adalah 1, dan dalam hal $100\ bps$ , tingkat chip akan menjadi $200\ cps$ , jadi itu benar, bahwa:

R_{c} > R_{b} > R_{s}

$R_c > R_b > R_s$

Jika Anda tertarik dengan teknologi spektrum sebaran lain yang ada yang menggunakan konsep chip, lihat metode akses Code Division Multiple Access .

Kicauan

Kicauan adalah sinyal di mana frekuensi meningkat (kicauan ke atas) atau menurun (kicauan ke bawah). Dalam QPSK, BPSK dan banyak jenis modulasi digital, mereka menggunakan gelombang sinusoidal sebagai simbol, tetapi dalam CSS mereka menggunakan celetuk, yang tidak memvariasikan tegangan / daya dalam waktu, tetapi mengubah frekuensi dalam waktu.

-Untuk dilanjutkan-
Saya perlu merevisi jawaban dari bagian chip, karena menghitung hal-hal dari dua dokumen ( 1 , 2 ) tidak memberikan hasil yang sama, dan dalam video itu masih tidak jelas apa yang kita ambil sebagai chip atau simbol dalam sinyal termodulasi CSS.

Sumber daya

Chip

Menyebarkan spektrum

Teknik modulasi

Tingkat bit, Simbol dan Chip

Baca lebih lanjut

Kecepatan bit vs kecepatan Baud

Teknik multiplexing

Teknik modulasi digital modern

Teori komunikasi spread spectrum

Sistem Komunikasi Satelit: Sistem, Teknik dan Teknologi

Beberapa Aplikasi dan Pengukuran Teknologi Sphir Spectrum (CSS)

Transmisi Digital: Pengantar Berbantuan Simulasi dengan VisSim / Comm (Sinyal dan Teknologi Komunikasi)

— domenix
sumber

Ini adalah jawaban yang sangat indah, dan saya pasti akan "tetap mengikuti perkembangan" untuk pembaruan. Jangan lupa bagian yang berlabel Pertanyaan: Saya ingin memahami hubungan khusus untuk LoRa, dan jika saya dapat memahami cara mengenali chip dan simbol dalam spektrogam sebenarnya dari sinyal termodulasi LoRa. Terima kasih!

— uhoh