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，是基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸技術(shù)。羅德與施瓦茨（中國）科技有限公司孫振礫所撰《LoRa測試攻略》一文介紹了LoRa測試攻略，展示了如何使用羅德與施瓦茨公司的測量設(shè)備進行LoRa射頻收發(fā)信機測量。羅德與施瓦茨公司憑借無線通信測試領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗，為LoRa無線通信制式測試提供了收發(fā)信機的完整測試解決方案，針對發(fā)射機的帶寬、功率密度、雜散等指標可直接使用統(tǒng)計和統(tǒng)計功能實現(xiàn)測量；針對接收機靈敏度測試和接收機阻塞測試，使用矢量信號源和模擬干擾源可輕松搭建試驗環(huán)境；同時針對生產(chǎn)型客戶，還提供了豐富的低成本儀器，降低客戶擁有成本，輕松實現(xiàn)測試線的建立。

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，是基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸技術(shù)。該技術(shù)標準在全球免費頻段運行，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)睦硐敕桨福蛇\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)各國無線通信標準進行測試。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量設(shè)備進行LoRa射頻收發(fā)信機測量。

2 技術(shù)背景及產(chǎn)品簡介

2.1 LoRa技術(shù)基礎(chǔ)

LoRa設(shè)備功耗極低同時具備在低速率傳輸條件下高達15km的無線覆蓋范圍，使用Chirp擴頻（線性調(diào)頻擴頻）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），在此基礎(chǔ)上進行擴頻調(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標準802.15.4a的物理層規(guī)范中。

在實際的LoRa信號傳輸過程中，每個圖1中的脈沖代表一個傳輸符號，許多個按時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序列（見圖2）。

圖1 一個線性調(diào)頻脈沖內(nèi)上升斜率信號示意

圖2 由上升/下降斜率的多個脈沖構(gòu)成的LoRa信號

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)對節(jié)點的電池壽命、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”標準化組織定義和管理，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)運營商、IT服務(wù)商和測試機構(gòu)都需要根據(jù)此標準化協(xié)議進行設(shè)計開發(fā)和測試。

2.3 LoRaWAN系統(tǒng)架構(gòu)

LoRa無線技術(shù)，可在使用一臺無線基站在方圓數(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)備測試

本文中的射頻發(fā)射機測試均根據(jù)FCC Part15 15.247測試規(guī)范為例，其它國家和地區(qū)的測試項目和規(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分析儀和矢量信號源。圖5為FCC規(guī)定的發(fā)射機測試限值。

針對接收機測試，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測試推薦方法，包含接收靈敏度和阻塞測試。

3.1 發(fā)射機測試

圖3 LoRaWAN協(xié)議棧

針對圖5中的測試要求，羅德施瓦茨公司的頻譜與信號分析儀具備強大的測試測量功能。圖6為LoRa發(fā)射機測試連接。如圖7所示，根據(jù)被測信號的測試頻率，調(diào)整合適的頻譜儀中心頻率和帶寬，加入測量Marker點后，使用Marker功能自帶的6dB帶寬統(tǒng)計功能可自動計算LoRa發(fā)射信號的帶寬。針對具體的測試項目，需要使用LoRa測試工具，控制發(fā)射機使用不同擴頻因子的情況下測量其不同的占用帶寬。

圖4 LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖5 LoRaFCC發(fā)射機測試指標

圖6 LoRa發(fā)射機測試連接

針對FCC的發(fā)射功率測試，頻譜與信號分析儀具備信道功率統(tǒng)計功能，該功能通過對整個發(fā)射帶寬內(nèi)的功率進行積分統(tǒng)計，直接讀取整個信道內(nèi)發(fā)射功率。其他測試項目如功率密度和雜散發(fā)射等指標也可以直接通過頻譜與信號分析儀的測量功能直接實現(xiàn)（見圖8）。

3.2 接收機測試

進行LoRa接收機靈敏度時，Semtech為羅德與施瓦茨公司的矢量信號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帶寬和擴頻系數(shù)，射頻載波通過裝載在信號源ARB內(nèi)基帶波形信號矢量調(diào)制，輸出至接收機。通過不斷降低信號源輸出功率，使用LoRa測試工具監(jiān)測接收機的誤包率，針對不同的擴頻系數(shù)，接收機的接收靈敏度范圍大致為-137dBm至-117dBm。圖9為LoRa接收機靈敏度測試布置。

如圖10所示，根據(jù)測試頻率調(diào)整矢量信號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。

接收機測試的另外一項關(guān)鍵指標是阻塞測試，該項測試主要考察接收機在接收到強干擾信號情況下的性能。該項測試在需要有用信號的同時，還需要增加一路干擾阻塞信號?？赏ㄟ^模塊化信號源SGS100A提供干擾信號，和矢量信號源產(chǎn)生的有用信號合路后饋入接收機輸入口，針對特定的阻塞電平和頻率，使用LoRa測試工具觀測接收機誤包率，典型誤報包率數(shù)值要求為＜1%。圖11為LoRa接收機阻塞測試布置。

圖8 擴頻系數(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試領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗，為LoRa無線通信制式測試提供了收發(fā)信機的完整測試解決方案，針對發(fā)射機的帶寬、功率密度、雜散等指標可直接使用統(tǒng)計和統(tǒng)計功能實現(xiàn)測量；針對接收機靈敏度測試和接收機阻塞測試，使用矢量信號源和模擬干擾源可輕松搭建試驗環(huán)境；同時針對生產(chǎn)型客戶，還提供了豐富的低成本儀器，降低客戶擁有成本，輕松實現(xiàn)測試線的建立。

圖9 LoRa接收機靈敏度測試布置

圖10 知量信號源設(shè)置界面

圖11 LoRa接收機阻塞測試布置

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試與測量儀器。