看看LoRa擴頻調制如何才能實現高噪聲系數下的遠程喚醒，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功能

• 擴頻調制：LoRa采用的調制技術

兩者結合，可在噪聲中探測喚醒信號，實現高噪聲系數下的遠程喚醒。同時通過合理設置，可以把平均探測功耗降低到7uA。

采用低功耗工作方式遠程喚醒模塊，可以極大地降低接收端的功耗，需要接收端上傳數據的時候，1S內即可作出響應，這很適合大范圍數據采集的應用領域。

實現過程分為兩部分：接收端探測喚醒信號、發送端發射喚醒信號。

1.1 接收端探測喚醒信號

1.1.1 探測時長

CAD模式中，通過對擴頻序列的計算處理，可以從噪聲探測可能存在的碼元數據。其中影響探測時長和探測精度的主要因素有兩個：

• 擴頻因子（SF）：決定擴頻調制中每個碼元的擴展長度；

• 擴頻帶寬（BS）：限制了射頻信號的最大帶寬。

碼元的持續時長（Ts）與模塊的擴頻因子和擴頻帶寬相關，有如下的公式對應：

例子：SF=7，BW=500khz，則Ts=0.26ms。

決定碼元探測靈敏度的是碼元的持續時長，持續時間越長，可探測的靈敏度越高，相對的，數據的傳輸速率會下降。

1.1.2 數據處理時長

CAD模式中，模塊會對信道進行數據采樣，并進行數字信號處理，一次完整的CAD采樣，以SF=7，BW=500khz，Ts=0.26ms參數為例，需要進行0.26ms的采樣，還有額外0.26ms的計算時長，也就大約需要0.5ms的處理時間，如圖1.1所示。

圖1.1 CAD模式中電壓的瞬態變化圖

1.2 發射端發送喚醒信號

接收端模塊每1S進入一次CAD采樣，工作0.5ms，然后休眠999.5ms。如果發射端要喚醒這個接收端的模塊，那么發射端需要持續發射至少1S的喚醒碼元，讓接收端可以在醒來的間隙，探測到擴頻碼元。

2、低功耗測試原理

測試實驗原理如圖2.1所示。在ZM470SX-M模塊的電源端串接入一個20ohm的電阻，用于瞬時電流探測。MCU周期性地使ZM470SX-M模塊進入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 實驗原理圖

圖2.2 實驗儀器

3、功耗計算推導

計算原理：我們的目標是要求出一次CAD采樣，平均到1秒內的功耗電流。因此首先要采樣到一次完整的CAD采樣過程的電壓變化圖，然后對這個變化的電壓值進行積分，除以電阻值，再除以1秒，即為平均電流，公式推導如下。

I_v：示波器采樣中，CAD模式的有效電流

T_v：CAD模式的持續時間，示波器測量大約是0.5ms

I_a：按1秒平均來計算一次CAD模式的平均電流

T_a：平均時間，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，每一時刻的電壓值

T_s：示波器的采樣周期

R：串聯的電阻，20ohm

由以上計算過程可得模塊1S進入一次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、功耗計算表

擴頻因子：決定擴頻調制中每個碼元的擴展長度

擴頻帶寬：限制射頻信號的最大帶寬，單位khz

碼元時長：傳輸一個碼元的時間長度，單位ms

接收靈敏度：碼元時長越長，接收靈敏度越好，dBm

探測時長：示波器測量出的一次CAD采樣處理的工作時長，單位ms

電壓時間積：示波器測量出的次CAD采樣處理的電壓時間積，單位uVs

平均電流：按1S一次CAD采樣計算出的平均電流，單位uA

表4.1 功耗計算表

5、示波器截圖

擴頻因子：7

擴頻帶寬：500kHz

電壓時間積：120uVs

探測時長：0.5ms

如下圖5.1

圖5.1

擴頻因子：8

擴頻帶寬：500kHz

電壓時間積：220uVs

探測時長：0.87ms

如下圖5.2

圖5.2

擴頻因子：9

擴頻帶寬：500kHz

電壓時間積：412uVs

探測時長：1.73ms

如下圖5.3

圖5.3

擴頻因子：10

擴頻帶寬：500kHz

電壓時間積：815uVs

探測時長：3.56ms

如下圖5.4

圖5.4

擴頻因子：11

擴頻帶寬：500kHz

電壓時間積：1630uVs

探測時長：7.52ms

如下圖5.5

圖5.5

擴頻因子：12

擴頻帶寬：500kHz

電壓時間積：3260uVs

探測時長：15.13ms

如下圖5.6

圖5.6

擴頻因子：12

擴頻帶寬：250kHz

電壓時間積：5770uVs

探測時長：30.29ms

如下圖5.7

圖5.7

擴頻因子：12

擴頻帶寬：125kHz

電壓時間積：10700uVs

探測時長：60.62ms

如下圖5.8

圖5.8