看看LoRa擴(kuò)頻調(diào)制如何才能實(shí)現(xiàn)高噪聲系數(shù)下的遠(yuǎn)程喚醒，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模塊固有的信道檢測(cè)功能

• 擴(kuò)頻調(diào)制：LoRa采用的調(diào)制技術(shù)

兩者結(jié)合，可在噪聲中探測(cè)喚醒信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高噪聲系數(shù)下的遠(yuǎn)程喚醒。同時(shí)通過(guò)合理設(shè)置，可以把平均探測(cè)功耗降低到7uA。

采用低功耗工作方式遠(yuǎn)程喚醒模塊，可以極大地降低接收端的功耗，需要接收端上傳數(shù)據(jù)的時(shí)候，1S內(nèi)即可作出響應(yīng)，這很適合大范圍數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用領(lǐng)域。

實(shí)現(xiàn)過(guò)程分為兩部分：接收端探測(cè)喚醒信號(hào)、發(fā)送端發(fā)射喚醒信號(hào)。

1.1 接收端探測(cè)喚醒信號(hào)

1.1.1 探測(cè)時(shí)長(zhǎng)

CAD模式中，通過(guò)對(duì)擴(kuò)頻序列的計(jì)算處理，可以從噪聲探測(cè)可能存在的碼元數(shù)據(jù)。其中影響探測(cè)時(shí)長(zhǎng)和探測(cè)精度的主要因素有兩個(gè)：

• 擴(kuò)頻因子（SF）：決定擴(kuò)頻調(diào)制中每個(gè)碼元的擴(kuò)展長(zhǎng)度；

• 擴(kuò)頻帶寬（BS）：限制了射頻信號(hào)的最大帶寬。

碼元的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)（Ts）與模塊的擴(kuò)頻因子和擴(kuò)頻帶寬相關(guān)，有如下的公式對(duì)應(yīng)：

例子：SF=7，BW=500khz，則Ts=0.26ms。

決定碼元探測(cè)靈敏度的是碼元的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，可探測(cè)的靈敏度越高，相對(duì)的，數(shù)據(jù)的傳輸速率會(huì)下降。

1.1.2 數(shù)據(jù)處理時(shí)長(zhǎng)

CAD模式中，模塊會(huì)對(duì)信道進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，并進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，一次完整的CAD采樣，以SF=7，BW=500khz，Ts=0.26ms參數(shù)為例，需要進(jìn)行0.26ms的采樣，還有額外0.26ms的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，也就大約需要0.5ms的處理時(shí)間，如圖1.1所示。

圖1.1 CAD模式中電壓的瞬態(tài)變化圖

1.2 發(fā)射端發(fā)送喚醒信號(hào)

接收端模塊每1S進(jìn)入一次CAD采樣，工作0.5ms，然后休眠999.5ms。如果發(fā)射端要喚醒這個(gè)接收端的模塊，那么發(fā)射端需要持續(xù)發(fā)射至少1S的喚醒碼元，讓接收端可以在醒來(lái)的間隙，探測(cè)到擴(kuò)頻碼元。

2、低功耗測(cè)試原理

測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理如圖2.1所示。在ZM470SX-M模塊的電源端串接入一個(gè)20ohm的電阻，用于瞬時(shí)電流探測(cè)。MCU周期性地使ZM470SX-M模塊進(jìn)入CAD模式。把示波器探頭的兩端接在20ohm電阻上，觀察示波器的電平變化。

圖2.1 實(shí)驗(yàn)原理圖

圖2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

3、功耗計(jì)算推導(dǎo)

計(jì)算原理：我們的目標(biāo)是要求出一次CAD采樣，平均到1秒內(nèi)的功耗電流。因此首先要采樣到一次完整的CAD采樣過(guò)程的電壓變化圖，然后對(duì)這個(gè)變化的電壓值進(jìn)行積分，除以電阻值，再除以1秒，即為平均電流，公式推導(dǎo)如下。

I_v：示波器采樣中，CAD模式的有效電流

T_v：CAD模式的持續(xù)時(shí)間，示波器測(cè)量大約是0.5ms

I_a：按1秒平均來(lái)計(jì)算一次CAD模式的平均電流

T_a：平均時(shí)間，1s

V_v：示波器采樣中，CAD模式的有效電壓

V_t：示波器采樣中，每一時(shí)刻的電壓值

T_s：示波器的采樣周期

R：串聯(lián)的電阻，20ohm

由以上計(jì)算過(guò)程可得模塊1S進(jìn)入一次CAD采樣的平均功耗為6.0uA，加上模塊的睡眠功耗1.2uA，模塊在周期為1S的CAD采樣模式下的總功耗為7.2uA。

4、功耗計(jì)算表

擴(kuò)頻因子：決定擴(kuò)頻調(diào)制中每個(gè)碼元的擴(kuò)展長(zhǎng)度

擴(kuò)頻帶寬：限制射頻信號(hào)的最大帶寬，單位khz

碼元時(shí)長(zhǎng)：傳輸一個(gè)碼元的時(shí)間長(zhǎng)度，單位ms

接收靈敏度：碼元時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，接收靈敏度越好，dBm

探測(cè)時(shí)長(zhǎng)：示波器測(cè)量出的一次CAD采樣處理的工作時(shí)長(zhǎng)，單位ms

電壓時(shí)間積：示波器測(cè)量出的次CAD采樣處理的電壓時(shí)間積，單位uVs

平均電流：按1S一次CAD采樣計(jì)算出的平均電流，單位uA

表4.1 功耗計(jì)算表

5、示波器截圖

擴(kuò)頻因子：7

擴(kuò)頻帶寬：500kHz

電壓時(shí)間積：120uVs

探測(cè)時(shí)長(zhǎng)：0.5ms

如下圖5.1

圖5.1

擴(kuò)頻因子：8

擴(kuò)頻帶寬：500kHz

電壓時(shí)間積：220uVs

探測(cè)時(shí)長(zhǎng)：0.87ms

如下圖5.2

圖5.2

擴(kuò)頻因子：9

擴(kuò)頻帶寬：500kHz

電壓時(shí)間積：412uVs

探測(cè)時(shí)長(zhǎng)：1.73ms

如下圖5.3

圖5.3

擴(kuò)頻因子：10

擴(kuò)頻帶寬：500kHz

電壓時(shí)間積：815uVs

探測(cè)時(shí)長(zhǎng)：3.56ms

如下圖5.4

圖5.4

擴(kuò)頻因子：11

擴(kuò)頻帶寬：500kHz

電壓時(shí)間積：1630uVs

探測(cè)時(shí)長(zhǎng)：7.52ms

如下圖5.5

圖5.5

擴(kuò)頻因子：12

擴(kuò)頻帶寬：500kHz

電壓時(shí)間積：3260uVs

探測(cè)時(shí)長(zhǎng)：15.13ms

如下圖5.6

圖5.6

擴(kuò)頻因子：12

擴(kuò)頻帶寬：250kHz

電壓時(shí)間積：5770uVs

探測(cè)時(shí)長(zhǎng)：30.29ms

如下圖5.7

圖5.7

擴(kuò)頻因子：12

擴(kuò)頻帶寬：125kHz

電壓時(shí)間積：10700uVs

探測(cè)時(shí)長(zhǎng)：60.62ms

如下圖5.8

圖5.8