LoRa低功耗远程唤醒及扩频调制详解

看看LoRa扩频调制如何才能实现高噪声系数下的远程唤醒，并且把功耗降至7.2uA。

1、低功耗工作原理

• CAD模式（Channel Activity Detection）：ZM470SX-M模块固有的信道检测功能

• 扩频调制：LoRa采用的调制技术

两者结合，可在噪声中探测唤醒信号，实现高噪声系数下的远程唤醒。同时通过合理设置，可以把平均探测功耗降低到7uA。

采用低功耗工作方式远程唤醒模块，可以极大地降低接收端的功耗，需要接收端上传数据的时候，1S内即可作出响应，这很适合大范围数据采集的应用领域。

实现过程分为两部分：接收端探测唤醒信号、发送端发射唤醒信号。

1.1 接收端探测唤醒信号

1.1.1 探测时长

CAD模式中，通过对扩频序列的计算处理，可以从噪声探测可能存在的码元数据。其中影响探测时长和探测精度的主要因素有两个：

• 扩频因子（SF）：决定扩频调制中每个码元的扩展长度；

• 扩频带宽（BS）：限制了射频信号的最大带宽。

码元的持续时长（Ts）与模块的扩频因子和扩频带宽相关，有如下的公式对应： 

例子：SF=7，BW=500khz，则Ts=0.26ms。

决定码元探测灵敏度的是码元的持续时长，持续时间越长，可探测的灵敏度越高，相对的，数据的传输速率会下降。

1.1.2 数据处理时长

CAD模式中，模块会对信道进行数据采样，并进行数字信号处理，一次完整的CAD采样，以SF=7，BW=500khz，Ts=0.26ms参数为例，需要进行0.26ms的采样，还有额外0.26ms的计算时长，也就大约需要0.5ms的处理时间，如图1.1所示。

图1.1 CAD模式中电压的瞬态变化图

1.2 发射端发送唤醒信号

接收端模块每1S进入一次CAD采样，工作0.5ms，然后休眠999.5ms。如果发射端要唤醒这个接收端的模块，那么发射端需要持续发射至少1S的唤醒码元，让接收端可以在醒来的间隙，探测到扩频码元。

2、低功耗测试原理

测试实验原理如图2.1所示。在ZM470SX-M模块的电源端串接入一个20ohm的电阻，用于瞬时电流探测。MCU周期性地使ZM470SX-M模块进入CAD模式。把示波器探头的两端接在20ohm电阻上，观察示波器的电平变化。

图2.1 实验原理图

图2.2 实验仪器

3、功耗计算推导

计算原理：我们的目标是要求出一次CAD采样，平均到1秒内的功耗电流。因此首先要采样到一次完整的CAD采样过程的电压变化图，然后对这个变化的电压值进行积分，除以电阻值，再除以1秒，即为平均电流，公式推导如下。

I_v：示波器采样中，CAD模式的有效电流

T_v：CAD模式的持续时间，示波器测量大约是0.5ms

I_a：按1秒平均来计算一次CAD模式的平均电流

T_a：平均时间，1s

V_v：示波器采样中，CAD模式的有效电压

V_t：示波器采样中，每一时刻的电压值

T_s：示波器的采样周期

R：串联的电阻，20ohm

由以上计算过程可得模块1S进入一次CAD采样的平均功耗为6.0uA，加上模块的睡眠功耗1.2uA，模块在周期为1S的CAD采样模式下的总功耗为7.2uA。

4、功耗计算表

扩频因子：决定扩频调制中每个码元的扩展长度

扩频带宽：限制射频信号的最大带宽，单位khz

码元时长：传输一个码元的时间长度，单位ms

接收灵敏度：码元时长越长，接收灵敏度越好，dBm

探测时长：示波器测量出的一次CAD采样处理的工作时长，单位ms

电压时间积：示波器测量出的次CAD采样处理的电压时间积，单位uVs

平均电流：按1S一次CAD采样计算出的平均电流，单位uA

表4.1 功耗计算表

5、示波器截图

扩频因子：7

扩频带宽：500kHz

电压时间积：120uVs

探测时长：0.5ms

如下图5.1

图5.1

扩频因子：8

扩频带宽：500kHz

电压时间积：220uVs

探测时长：0.87ms

如下图5.2

图5.2

扩频因子：9

扩频带宽：500kHz

电压时间积：412uVs

探测时长：1.73ms

如下图5.3

图5.3

扩频因子：10

扩频带宽：500kHz

电压时间积：815uVs

探测时长：3.56ms

如下图5.4

图5.4

扩频因子：11

扩频带宽：500kHz

电压时间积：1630uVs

探测时长：7.52ms

如下图5.5

图5.5

扩频因子：12

扩频带宽：500kHz

电压时间积：3260uVs

探测时长：15.13ms

如下图5.6

图5.6

扩频因子：12

扩频带宽：250kHz

电压时间积：5770uVs

探测时长：30.29ms

如下图5.7

图5.7

扩频因子：12

扩频带宽：125kHz

电压时间积：10700uVs

探测时长：60.62ms

如下图5.8

图5.8