LoRa測(cè)試攻略

孫振礫 羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司

編者按：LoRa特指低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)中的一種，該技術(shù)方案由美國Semtech公司采用和推廣，是基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)。羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司孫振礫所撰《LoRa測(cè)試攻略》一文介紹了LoRa測(cè)試攻略，展示了如何使用羅德與施瓦茨公司的測(cè)量設(shè)備進(jìn)行LoRa射頻收發(fā)信機(jī)測(cè)量。羅德與施瓦茨公司憑借無線通信測(cè)試領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)，為L(zhǎng)oRa無線通信制式測(cè)試提供了收發(fā)信機(jī)的完整測(cè)試解決方案，針對(duì)發(fā)射機(jī)的帶寬、功率密度、雜散等指標(biāo)可直接使用統(tǒng)計(jì)和統(tǒng)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)測(cè)量；針對(duì)接收機(jī)靈敏度測(cè)試和接收機(jī)阻塞測(cè)試，使用矢量信號(hào)源和模擬干擾源可輕松搭建試驗(yàn)環(huán)境；同時(shí)針對(duì)生產(chǎn)型客戶，還提供了豐富的低成本儀器，降低客戶擁有成本，輕松實(shí)現(xiàn)測(cè)試線的建立。

1 引言

LoRa（LongRange）特指低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)中的一種，該技術(shù)方案由美國Semtech公司采用和推廣，是基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)。該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，由于極低的功率消耗，使其成為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐敕桨?，可運(yùn)用在工業(yè)、物流、環(huán)保技術(shù)、智能農(nóng)業(yè)、智能城市、智能家居等眾多領(lǐng)域。

設(shè)備在接入LoRa網(wǎng)絡(luò)之前，必須根據(jù)各國無線通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。本文為開發(fā)和生產(chǎn)設(shè)備的人員和公司展示了如何使用羅德與施瓦茨公司的測(cè)量設(shè)備進(jìn)行LoRa射頻收發(fā)信機(jī)測(cè)量。

2 技術(shù)背景及產(chǎn)品簡(jiǎn)介

2.1 LoRa技術(shù)基礎(chǔ)

LoRa設(shè)備功耗極低同時(shí)具備在低速率傳輸條件下高達(dá)15km的無線覆蓋范圍，使用Chirp擴(kuò)頻（線性調(diào)頻擴(kuò)頻）的調(diào)制技術(shù)。顧名思義，該調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)是Chirp（線性調(diào)頻信號(hào)），在此基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，由于Chirp也是頻率調(diào)制的一種，保持了類似FSK的低功耗特性，在同樣的功率消耗下，明顯地增加了通信距離，同時(shí)還具有良好的魯棒性和抗多普勒頻移的能力。目前，該調(diào)制方式已經(jīng)被納入IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.15.4a的物理層規(guī)范中。

在實(shí)際的LoRa信號(hào)傳輸過程中，每個(gè)圖1中的脈沖代表一個(gè)傳輸符號(hào)，許多個(gè)按時(shí)間順序排列的上升或下降斜率脈沖序列代表了特定的符號(hào)序列（見圖2）。

圖1 一個(gè)線性調(diào)頻脈沖內(nèi)上升斜率信號(hào)示意

圖2 由上升/下降斜率的多個(gè)脈沖構(gòu)成的LoRa信號(hào)

2.2 LoRaWAN

LoRaWAN定義了網(wǎng)絡(luò)的通訊協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，而LoRa物理層能夠使長(zhǎng)距離通信鏈路成為可能（見圖3）。協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)節(jié)點(diǎn)的電池壽命、網(wǎng)絡(luò)容量、服務(wù)質(zhì)量、安全性、網(wǎng)絡(luò)的各種應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量等影響最大。

LoRa MAC層和LoRa波形、地區(qū)因素之間的定義和交互由“LoRaAlliance”標(biāo)準(zhǔn)化組織定義和管理，所有的芯片制造商、無線模塊生產(chǎn)商、傳感器制造商、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商、IT服務(wù)商和測(cè)試機(jī)構(gòu)都需要根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)和測(cè)試。

2.3 LoRaWAN系統(tǒng)架構(gòu)

LoRa無線技術(shù)，可在使用一臺(tái)無線基站在方圓數(shù)公里的范圍內(nèi)構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)是星形組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，LoRa物聯(lián)網(wǎng)終端與網(wǎng)關(guān)無線通信，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳送至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，物聯(lián)網(wǎng)上層應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接和交互（見圖4）。

為保證通信安全，終端設(shè)備和網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間均采用128bit的AES加密。

3 LoRa設(shè)備測(cè)試

本文中的射頻發(fā)射機(jī)測(cè)試均根據(jù)FCC Part15 15.247測(cè)試規(guī)范為例，其它國家和地區(qū)的測(cè)試項(xiàng)目和規(guī)范（ETSI，ARIB）和FCC基本一致。使用的儀表為羅德與施瓦茨公司的頻譜與信號(hào)分析儀和矢量信號(hào)源。圖5為FCC規(guī)定的發(fā)射機(jī)測(cè)試限值。

針對(duì)接收機(jī)測(cè)試，F(xiàn)CC并未做任何定義和要求，但Semtech公司給出了典型的接收機(jī)測(cè)試推薦方法，包含接收靈敏度和阻塞測(cè)試。

3.1 發(fā)射機(jī)測(cè)試

圖3 LoRaWAN協(xié)議棧

針對(duì)圖5中的測(cè)試要求，羅德施瓦茨公司的頻譜與信號(hào)分析儀具備強(qiáng)大的測(cè)試測(cè)量功能。圖6為L(zhǎng)oRa發(fā)射機(jī)測(cè)試連接。如圖7所示，根據(jù)被測(cè)信號(hào)的測(cè)試頻率，調(diào)整合適的頻譜儀中心頻率和帶寬，加入測(cè)量Marker點(diǎn)后，使用Marker功能自帶的6dB帶寬統(tǒng)計(jì)功能可自動(dòng)計(jì)算LoRa發(fā)射信號(hào)的帶寬。針對(duì)具體的測(cè)試項(xiàng)目，需要使用LoRa測(cè)試工具，控制發(fā)射機(jī)使用不同擴(kuò)頻因子的情況下測(cè)量其不同的占用帶寬。

圖4 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖5 LoRaFCC發(fā)射機(jī)測(cè)試指標(biāo)

圖6 LoRa發(fā)射機(jī)測(cè)試連接

針對(duì)FCC的發(fā)射功率測(cè)試，頻譜與信號(hào)分析儀具備信道功率統(tǒng)計(jì)功能，該功能通過對(duì)整個(gè)發(fā)射帶寬內(nèi)的功率進(jìn)行積分統(tǒng)計(jì)，直接讀取整個(gè)信道內(nèi)發(fā)射功率。其他測(cè)試項(xiàng)目如功率密度和雜散發(fā)射等指標(biāo)也可以直接通過頻譜與信號(hào)分析儀的測(cè)量功能直接實(shí)現(xiàn)（見圖8）。

3.2 接收機(jī)測(cè)試

進(jìn)行LoRa接收機(jī)靈敏度時(shí)，Semtech為羅德與施瓦茨公司的矢量信號(hào)源提供了一系列特定的LoRa波形文件，這些波形文件包含了各種不同的信號(hào)帶寬和擴(kuò)頻系數(shù)，射頻載波通過裝載在信號(hào)源ARB內(nèi)基帶波形信號(hào)矢量調(diào)制，輸出至接收機(jī)。通過不斷降低信號(hào)源輸出功率，使用LoRa測(cè)試工具監(jiān)測(cè)接收機(jī)的誤包率，針對(duì)不同的擴(kuò)頻系數(shù)，接收機(jī)的接收靈敏度范圍大致為-137dBm至-117dBm。圖9為L(zhǎng)oRa接收機(jī)靈敏度測(cè)試布置。

如圖10所示，根據(jù)測(cè)試頻率調(diào)整矢量信號(hào)源輸出頻率和輸出電平，將波形文件加載后調(diào)制至射頻輸出。

接收機(jī)測(cè)試的另外一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)是阻塞測(cè)試，該項(xiàng)測(cè)試主要考察接收機(jī)在接收到強(qiáng)干擾信號(hào)情況下的性能。該項(xiàng)測(cè)試在需要有用信號(hào)的同時(shí)，還需要增加一路干擾阻塞信號(hào)?？赏ㄟ^模塊化信號(hào)源SGS100A提供干擾信號(hào)，和矢量信號(hào)源產(chǎn)生的有用信號(hào)合路后饋入接收機(jī)輸入口，針對(duì)特定的阻塞電平和頻率，使用LoRa測(cè)試工具觀測(cè)接收機(jī)誤包率，典型誤報(bào)包率數(shù)值要求為＜1%。圖11為L(zhǎng)oRa接收機(jī)阻塞測(cè)試布置。

圖8 擴(kuò)頻系數(shù)=12發(fā)射功率

4 結(jié)束語

羅德與施瓦茨公司憑借無線通信測(cè)試領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)，為L(zhǎng)oRa無線通信制式測(cè)試提供了收發(fā)信機(jī)的完整測(cè)試解決方案，針對(duì)發(fā)射機(jī)的帶寬、功率密度、雜散等指標(biāo)可直接使用統(tǒng)計(jì)和統(tǒng)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)測(cè)量；針對(duì)接收機(jī)靈敏度測(cè)試和接收機(jī)阻塞測(cè)試，使用矢量信號(hào)源和模擬干擾源可輕松搭建試驗(yàn)環(huán)境；同時(shí)針對(duì)生產(chǎn)型客戶，還提供了豐富的低成本儀器，降低客戶擁有成本，輕松實(shí)現(xiàn)測(cè)試線的建立。

圖9 LoRa接收機(jī)靈敏度測(cè)試布置

圖10 知量信號(hào)源設(shè)置界面

圖11 LoRa接收機(jī)阻塞測(cè)試布置

羅德與施瓦茨公司自成立至今的80多年間，一直致力于為無線電通信提供高性能的測(cè)試與測(cè)量?jī)x器。