LoRa2.4GHz芯片

     

LoRa2.4GHz芯片

         对于大家所讨论的物联网,普遍认为LoRa技术是应用于LPWAN的,因而默认LoRa都是Sub-1GHz的应用。随着LoRa调制技术逐渐被市场认可,2.4GHz频段的高速LoRa(此处的高速是对比LPWAN中的物联网应用的传输速率)需求出现了。既然LoRa的调制技术具有那么多优势,那么在2.4GHz频段也会有很好的发挥。各国的Sub-1GHz的工业科学医疗频段(Industrial Scientific Medical,ISM)都不一样,使各国的产品无法全球通用,而全球的2.4GHzISM频段都是一样的。在这样的市场环境需求下,Semtech公司推出了SX128X系列芯片。该芯片主要应用领域还是物联网,不过其内部增加了消费类产品的一些特性,应用更广泛。这颗芯片功能强大、性能卓越,反而被物联网市场所忽视,这是因为Sub-1GHz的LoRa声势过于强大引起的。下面将讲解这颗2.4GHz的LoRa芯片。

一、SX128X芯片介绍

        SX1281是SX1280的简化版本,不具备测距功能,其他功能结构完全相同。Semtech公司通过产品定义差异化从成本上支持更多应用。下面的讨论将以SX1280芯片为基础,分析2.4GHzLoRa芯片的特点及应用优势。
        SX1280是一颗低功耗、远距离的带有测距功能的2.4GHz无线收发芯片,可以理解为SX126X系列在2.4GHz频段工作的版本,其内部芯片工艺和框架结构与SX126X也相同或相似。
        SX126X芯片只有两个调制解调引擎,而SX1280内部有5种调制解调引擎。
  • LoRa2.4GHz:远距离、低速率的通信,支持带宽200/400/800/1600kHz及扩频因子SF=5~12,应用于智  能家居、安防、无人机控制等领域。
  • FLRC2.4GHz:称为快速LoRa通信(Fast Longrange Communication,也可以叫FastLoRa),可以提供一个稳定高速且远距离的通信模式。可应用于音视频传输,也可以用于无人机控制。FLRC是Semtech公司创新的一种类似LoRa的调制模式,是基于MSK的一种变形技术。FLRC是一种可以实现高速通信且接近香农公式理论极限的调制技术。
  • GFSK2.4GHz:GFSK(Gauss frequency Shift Keying,高斯频移键控)是最常见的2.4GHz通信技术。主要针对传统的2.4GHz无线应用,这颗芯片带有GFSK功能是为了兼容原有项目。
  • 低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy,BLE):该芯片支持低功耗蓝牙的物理层,用户可以在MCU中下载蓝牙的数据链路层(MAC),并通过SX1280实现蓝牙、LoRa多协议设备。BLE的物理层是采用GFSK作为调制解调引擎的,SX1280就是利用该特点通过加载BLE数据链路层实现蓝牙通信的。说明:SX1280只是支持蓝牙的低功耗模式,蓝牙的其他模式采用不同的物理层,SX1280无法支持;主要应用于可穿戴、Beacon热点、传感器等。
  • 测距引擎(RangingEngine):具有射频链路安全和点对点的测距功能,应用于物品追踪和工业4.0。测距引擎是在LoRa模式下实现的,读者可以回顾2.2节中扩频技术在测距上的优势。
      SX1280芯片具有5种调制解调引擎,其内部框图结构如图4-18所示。
SX1280的芯片框图
图4-18     SX1280的芯片框图
SX1280芯片的主要特征指标如下。
  • 远距离:最高灵敏度为-132dBm;+12.5dBm的输出功率;最大链路预算为144.5dB。
  • 低电流:LoRa模式下接收电流小于5.5mA;发射功率+12.5dBm时,发射电流为24mA;休眠模式电流为215nA。
  • 调制模式及速率:LoRa:476b/s~200kb/s(远程);FLRC:260kb/s~1.3Mb/s(快速远程通信);(G)FSK/MSK:2Mb/s;蓝牙物理层兼容性。
  • 测距引擎:飞行时间(TimeofFlight,TOF)测距功能,测距精度1m,最远支持4km距离测距;内置测距数据过滤功能。
  • 低系统成本:外围器件BOM简单、便宜;封装及引脚尺寸小,24脚4mm×4mm封装。
  • 符合2.4GHz法规:ETSIEN300440,FCCCFR47第15部分,ARIBSTD-T66;支持全球频段。
       对上述的主要指标进行总结,SX1280的灵敏度远超同类2.4GHz射频芯片(蓝牙和ZigBee芯片的灵敏度多为-100dBm左右);SX1280的功耗水平也达到了业界同类芯片的领先水平;SX1280支撑多种调制解调制式,可以同时应对多种应用场景;SX1280具有测距功能且距离远、精度高、操作方便;SX1280硬件系统简单外围器件少、成本低,并支持全球2.4GHz频段的应用。可以看出,上述的特点都是物联网应用中所需要的。

二、SX128X工作距离分析

       由于SX1280内部有多种调制解调模式,如LoRa模式、FLRC模 式、BLE(GFSK)模式等。这些模式的传输速率和工作距离的关系如图4-19所示。
       图4-19中共有4种无线技术,分别是Wi-Fi技术、BLE技术、FLRC技术和LoRa技术。通过2.2.3小节介绍的香农定理可知,信号传 播得越远其信噪比越差,从而信道容量会减少,所以所有无线技术在数据率和工作距离的对数坐标轴内表达为左高右低的斜线。由此可知这四类常用技术所支持的通信速率和对应的工作距离。工作距离是由该系统在当前速率下的灵敏度决定的。图4-19是一种宽泛的理解图,如果需要精确的定量分析,则需要把每一种技术在不同速率下的灵敏度表示出来。图4-20所示为常用物联网技术的灵敏度与速率图。
 多种技术传输速率与距离示意图
图4-19   多种技术传输速率与距离示意图
常用物联网技术的灵敏度与速率图
图4-20   常用物联网技术的灵敏度与速率图
 
       图4-20中横坐标是灵敏度,纵坐标为数据率。在此坐标系中,越靠近右上角,其调制解调效率越高,越接近香农定理极限。首先拿SX1280FLRC与BLE4.x、BLE5.0以及ZigBee技术进行对比,FLRC支持绝大多数BLE的速率以及ZigBee(固定250kb/s)速率,且在相同速率情况下其灵敏度明显优于其他传统技术。图中可见LoRa调制和FLRC调制相互衔接,可以支持从高速到低速的所有应用,其灵敏度在低速应用中的优势更为明显。SX1280芯片有诸多优点,因为该芯片是按照物联网的需求设计的,而其他的技术最开始设计的出发点都不是针对物联网应用的。SX1280在FLRC与LoRa调制的灵敏度优势是由自身的物理调制决定的。通过对图4-20的分析可以得到如下推论:
  • 在相同速率下,LoRa和FLRC灵敏度比传统技术BLE和ZigBee高8~12dB,工作距离远2~3倍。
  • 常用低速物联网应用中,LoRa的灵敏度比ZigBee、BLE高20dB以上,工作距离远10倍多。
        实际场景中的工作距离,在输出功率为12.5dBm时进行测试,在不同的调制模式下,可以得出:
  • FLRC(SX1280工作在260kb/s)覆盖距离为2.3km。
  • LoRa2.4GHz(SX1280工作在476b/s,SF=12)覆盖距离为3.6km。
  • LoRa 868MHz(SX1272工作在292b/s,SF=12/125kHz)覆盖距离为5.8km。
        SuB-1GHzLoRa具有比2.4GHzLoRa更优秀覆盖范围的原因是Sub-1GHz波长更长。频率越高波长越短,在空间传播的衰减越大。由于Sub-1GHz相对于2.4GHz频率低,其波长就长,传播距离就远。这也是为什么LPWAN技术的通信频率都选择Sub-1GHz而没有选择2.4GHz。Sub-1GHz的缺点就是频段资源窄,无法传播高速的数据。

三、测距引擎

       SX1280的测距引擎原理如图4-21所示,需要两个SX1280模块实现测距。其中一个模块作为主机(Master),另一个模块作为从机(Slave)。主机内部有一个定时器,当主机发出测距信号时开始计时,当从机收到主机的测距信号后会马上同步发送响应信号,主机接收到从机发来的响应信号时,计时器记录当前的时间。由于电磁波在空中传播的速度为光速,因此计时器的时间等于电磁波从主机飞到从机的时间加上从机的反应时间再加上信号由从机飞到主机的时间。测距计算公式为
距离=(计时器时间-反应时间)÷2×3×108
 测距引擎原理图
图4-21    测距引擎原理图
 
       测距的过程会使用不同的频率和不同的扩频因子,从而减小多径影响,保证系统的准确性,在经过多次测距后,这些测得的数据通过内置测距数据过滤器,最终算出准确的距离。图4-22为一个多点算法的模型。经过多次测距和过滤后的测距精度为1m。
  内置测距数据过滤算法图
图4-22       内置测距数据过滤算法图
 
      由图4-22可知,测试次数越多,系统的测试精度越高,图中到达80次测试时才满足了1m的精度,当测试超过300次后,其系统的平均精度可以接近0.5m。在实际应用中,由于环境因素不可控,即使在可视距离,系统误差常会出现5~20m不等。

    芯片Roadmap

       本章介绍了所有的LoRa内核芯片。LoRa芯片家族是非常壮大的。表4-15为Semtech公司LoRa产品路线表。
表4-15    SemtechLoRa产品路线
 SemtechLoRa产品路线
       虽然现在的LoRa芯片可以满足市场的主要应用,但是随着应用的扩展和技术的进步,Semtech公司会继续努力研发新的LoRa芯片以满足日益增长的物联网需求。未来芯片的发展方向有如下几大方向。

1)针对特殊应用

     (1)2019年,Semtech公司发布了针对室内应用的LoRa芯片LLCC68,这颗芯片是来自SX126X系列,也是笔者根据中国市场的需求定义的。
     (2)SX1280芯片在定位、汽车电子和高速工业领域有许多优势,后续有可能会有针对这些领域的专用芯片。
     (3)针对物流和定位的芯片LR1110,其内部集成GNSS微型定位芯片和Wi-Fi探针芯片,是一款高集成度的应用芯片。

2)针对网络扩展的网关芯片

    (1)SX1302依然有很多不够完善的地方,或者说其定义不能触及的地方,比如多路下行场景,比如TDOA定位场景。后续一定还有相应的网关芯片(表中SX1303)。
     (2)2.4GHzLoRa至今没有网关芯片,所有的网关都是由SX1280实现的。我相信这颗2.4GHzLoRa的网关芯片应该不久会问世。

3)更高性能的收发芯片

       虽然SX126X系列芯片性能非常好,得到市场的广泛认可。但是技术进步的脚步是不会停止的。如果选用更先进的半导体工艺,节点收发芯片的灵敏度还有2~4dB的提升空间,工作距离提升30%~60%,3.1.1小节介绍了节点噪声系数影响灵敏度关系。在选择更先进的工艺后,功耗也有一定的提升空间。当然,这要看Semtech公司对成本(使用更先进的工艺不一定会降低成本,虽然从半导体工艺和面积进行分析,SX126X系列的成本比SX127X的成本有明显降低)和研发投入的评估。

小结

       本章重点介绍了LoRa的全系芯片,包括SX126X系列、SX127X 系列、SX130X系列、SX125X系列和SX128X系列,共三大类别、两 代产品。所有的产品都通过对比的方式展现其优缺点,在实际项目中核心硬件选型可以参照本章对比数据。由于SX126X和SX1302/SX1250都采用先进工艺,成本低、性能好,建议读者在终端和网关开发时优先选择第二代的这几款芯片。
       SX1280芯片有诸多优势,但市场上不为人知,说明有很大的应用市场发展空间,读者可以从其特点入手寻找合适的切入应用,开辟新的领域。

下一篇

应急通信系统设备组成

通信系统集成

应急通信系统设备组成

整个系统由接入网关设备、中心服务设备、调度台3大部分组成,设备组成见表7.4。表7.4 设备组成一、调度台1. 桌面调度台 调度客户端是通信调度系统的主要业务呈现模块,调度终端具有图形化用户界面,操作员或指挥员可以通过安装在计算... ...

相关内容

语音芯片sop封装与dip封装的区别

语音芯片sop封装与dip封装的区别

SOP封装是一种元件封装形式,常见的封装材料有:塑料、陶瓷、玻璃、金属等,现在基......

弱电工程

2022-12-12

超便宜芯片——很low的太阳能LED灯里蕴含巨大芯片市场?

超便宜芯片——很low的太阳能LED灯里蕴含巨大芯片市场?

这盏看起来非常lOW的太阳能LED灯里面却蕴含这一个非常大的芯片市场,对很多初创......

弱电工程

2022-11-30

什么是单片机?

什么是单片机?

最近芯片这个词特别的火。因此T仔来科普一下芯片领域的相关名词。单片机是什么呢?单......

弱电工程

2022-11-28