免疫系统|避免射频干扰LoRa®

蒂姆·库珀

处理不确定性

干扰很难预测，特别是在免许可证的ISM频段，其中干扰者可能是另一个合法频谱用户或邻近频段的服务。这就更加复杂了，因为干扰的严重程度取决于有多少不必要的能量耦合到接收器上。这就像使用收音机的环境一样不可预测。

这种难以预测的功率水平和不可预见的干扰源的组合可能导致干扰问题在设计过程的后期被发现——这时纠正它们的成本最高。在这篇文章中，我将解决这个问题，并向您展示如何回答这个看似简单的问题:

我的收音机对它将遇到的干扰免疫的可能性有多大?

正如问题所暗示的，答案将是概率性的。就像估计范围或包错误一样，知道什么级别的错误是可以容忍的，这是一个重要的起点。其他输入是可能的干扰源和无线电的抗扰性能。问问你自己:

• 干扰来源:在我的应用程序中有哪些潜在的干扰来源?
• 无线电接收机抗干扰能力我的收音机能给我什么样的豁免权?

识别潜在干扰源的主要方法有两种:

• 咨询将部署应用程序的国家或国际电联地区的频率分配^［1］
• 调查一个典型的应用程序环境^［2］

我将介绍一个基于LoRa®接收机的示例，并预测其接收信号受干扰的可能性。与通常情况相反，我的解释应该提供一个直观的风险水平指示。

无线电接收机抗干扰能力

要了解哪些干扰源可能会造成问题，您需要对接收器干扰免疫能力有基本的了解。在系统层面，在检查干扰时，有三个方面需要考虑:

• 干扰频率
• 影响的力量
• 干扰占空比

频率和功率

为了寻找干扰，我们将查看世界上最繁忙、最严重拥塞的频谱，并检查在全球2.4 GHz ISM频段运行的LoRa调制解调器^［3.］．对于本例，我将考虑存在蓝牙®低能量(BLE)干扰的LoRa无线电。然而，这里提出的更广泛的原理适用于任何波段的任何干涉。

图1显示了一个典型的低中频接收机前端。这里我们有一个无线电信号，由天线转导，然后由低通滤波器滤波，然后由低噪声放大器(LNA)放大。在经过带通滤波和模数转换器(ADC)采样之前，放大信号被下转换为低中频(IF)。随后的信道滤波和解调是在数字领域。

图1。接收块原理图

在我们查看拒绝性能之前，让我们检查接收器中的各种过滤阶段，因为当考虑干扰时，它们至关重要。图2在底部显示了所需的信号，在相同频率尺度上的滤波恰好在其上方。信号视图很简单:我们混合来自f的所需信号_射频一直到中频f_如果使用频率为f的本地振荡器(LO)_罗(图2)。

图2。无干扰的接收频域视图

过滤都是非常标准的，所以我不会详细说明为什么每个过滤器都存在(有关详细解释，请参阅中频收发器滤波^［4］)．然而，重要的是要注意，干扰离中心频率越远，我们从增加的滤波工作中接收到的累积抑制就越多。

正因为如此，干扰根据需要信号和不需要信号之间的频率偏移被分为广泛的类别^［5］．

图4。LoRa调制解调器的抗干扰能力相对于常开BLE干扰

为了阐明这些干扰类别，图4显示了LoRa调制解调器对蓝牙干扰的实际免疫情况¹．

在整个文档中，我将引用左边的轴，它显示绝对BLE信号的功率。图中的背景色对应于图1中接收器块原理图中的背景色，并说明了哪些元素占主导地位的确定接收机在该频率偏移处的抗扰度。

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1．详情见应用说明:2.4 GHz的LoRa®蓝牙抗扰度．^［6］一个非常重要的考虑是，与真正的蓝牙干扰器不同，不需要的干扰信号总是“打开”的。这并不能代表真正BLE干涉器的“突发”分组特性。

远离期望频率:带外干扰

图5。接收机阻塞

无线电的抗扰度如何以及为什么会随频率而变化?

从远离所需信号开始，在我们的例子中超过20 MHz，是突出显示的区域绿色如图4所示，即使存在-17 dBm BLE干扰，调制解调器仍然可以接收。在高功率信号存在时限制接收机性能的元素是中突出显示的LNA和输入滤波器区域绿色在图2中。

阻塞是高功率信号在LNA中引起增益压缩的现象。不需要的信号使LNA饱和，降低了高功率阻塞信号和LNA增益而且所需频率下的小信号增益。所需信号放大的减小(有时也与基带中由于非线性引起的频谱再生结合在一起)降低了接收机的灵敏度。

对于任何远离带外的干扰信号，我们所拥有的优势是它将被任何前端接收机滤波衰减。滤波源还包括经常被忽视的天线，以及低通滤波器的滤波，这将进一步衰减信号。

同波段:带内干扰

当干扰器更接近所要的信号时(在黄色的在图4中)，我们得到-17 dBm和-50 dBm之间的免疫度。在该区域，抑制性能是LNA的阻塞性能、混频器的频率响应和带通滤波器的复杂混合。当我们接近想要的信道时，带内抑制受到本振的射频相位噪声的限制。

图6。相互混合

图6显示了仅在信道滤波器停止带内的主要贡献，这一过程称为相互混合．在这里，本振(LO)相位噪声折叠到所需的信道并限制了接收机的灵敏度。一个很好的描述，不仅是过程本身，而且推导LO相位噪声要求的方程可以在计算GSM接收机的LO相位噪声要求r^［7］．

图像抑制:仅在图像频率

在低中频接收机的情况下，还有最后一个例外需要处理:图像频率。下转换过程将需要的射频信号混合到中频。除此之外，低侧(F_罗- F_如果)下转换为负IF。这个复杂的信号折叠到信道滤波器中，如图7所示。

图7。图片被拒绝

SX1280接收模式的中频为1.625 MHz。这意味着图像频率可以在低于编程射频中心频率的两倍中频处找到，即F_射频- 3.25 MHz。图像抑制可以在图4中看到，在RF中心频率以下3.25 MHz处有一个dip。

同频:同信道干扰

在最坏的情况下(图4中红色部分突出显示)，只有-97 dBm不需要的信号功率阻止接收，在同一通道上有干扰。回到我们的接收机方框图，在这种情况下，所有的干扰抑制都来自解调器，因为接收机信道滤波器(红色)内的信号必须区分需要的信号和干扰信号。其频域视图如图8所示:

图8。同频道拒绝

虽然这是干扰的最坏情况，因为它的抗扰度最低，但LoRa的优势是能够接收噪声下限以下的信号，也就是干扰以下的信号(图9)。

图9。LoRa接收可能具有负信噪比

距离而非权力

虽然图4的抗干扰曲线对于比较系统很有用，但它并不能很好地说明系统如何应对干扰。当我们将这些干扰免疫数字转换为距离时，这些图可以更深入地了解干扰风险。这为我们提供了信息，既关于真正的期望，也关于我们可以在设计过程中使用的信息。

在转换为距离时，我唯一的假设是干扰是视线范围内的，我估计即使在零距离下，LoRa天线和BLE天线之间也有20 dB的耦合损失。在实验室中快速检查显示，一对Taoglas陶瓷天线在大约1厘米的距离上有25 dB的损耗(图11)。

图11。一对2.4 GHz Taoglas芯片天线在1厘米处的近距离耦合测量结果为25db(插图:测量设置)

我最后的假设是蓝牙发射器的EIRP为0 dBm。

基于这些假设，我们可以计算出在接收器输入处产生的绝对干扰功率的距离。我从计算干涉链路预算开始，l在dB。

在哪里l_耦合= 20 dB，P_免疫力图3和的绝对阻断免疫是多少P_tx为0 dBm。

将得到的链路预算，代入重新排列的自由空间路径损失方程，计算分离距离，d这时我们的接收器就会被BLE干扰盖过。

在哪里f为频率，单位为Hz (2.45 GHz)。

图12。始终在线干扰的抗干扰性:将干扰抑制转化为距离有助于解释

的情节d-我的BLE干扰器阻挡我们LoRa通信的距离-相对于频率偏移显示在图11中。当LoRa和BLE无线电之间的距离超过1米时，我们的蓝牙发射器受到干扰的概率似乎很低，只有6%的80 MHz波段有可能受到干扰。当两个设备相距20厘米到1米时，只有15%的波段会受到干扰。

现在您应该对我们的接收机何时以及如何受到干扰有了更直观的感觉。但这还只是故事的一部分。图11中的图是一个始终在线的干涉器。我忽略了…的影响当干扰存在。

直播时间

为了计算碰撞的概率(即一个LoRa数据包与一个BLE数据包重合)，我们需要考虑每个数据包的播放时间。让我们假设我们将在单个通道上接收一个具有以下格式的包(图13)。

图13。LoRa包格式是我们进行干扰免疫研究的目的

在SF12, 200 kHz带宽下，这相当于在空中的时间为892.8 ms, LoRa符号时间为20.2 ms。

我们将此与BLE时间在空中的一个例子进行比较BLE v4.2:创建更快、更安全、更节能的设计-第1部分^［8］．在这里，我假设蓝牙4.2中可能的最坏情况的数据传输，即来自干扰无线电的非常高的数据传输，它非常接近我们的LoRa无线电。

假设BLE频道计划的所有37个非广告频道的跳频模式，我们可以预期2.12毫秒的传输时间，每277.5毫秒重复一次。

图14。BLE干涉器(红色)与单个LoRa包(顶部)在单个信道上的占空比

在一般情况下，用碰撞概率的乘积来确定免疫度。在我们的例子中，包碰撞是有保证的。这意味着如果我们发生碰撞，并且处于会造成干扰的功率范围内，我们将失去LoRa数据包。

干涉占空比与LoRa符号时间

在LoRa系统中，这种情况经常发生。LoRa可以让我们用播放时间来换取更高的灵敏度。这意味着干扰的播放时间要低得多(数据速率比LoRa高)。LoRa调制解调器的一个非常重要的特性是它能够丢失每个LoRa符号的一半，但仍然解调传入的数据。回顾符号时间是由:

在我们2.4 GHz的例子中，我们可以看到2.12 ms BLE数据包持续时间与20.2 ms LoRa符号周期的对比，这意味着我们仍然能够恢复被BLE数据包阻塞的LoRa符号。

为了演示LoRa调制解调器对“突发”干扰的免疫力，我执行了一个LoRa同波道拒绝测量。与以前的测量相反，这是用脉冲干涉完成的。在x轴上，我不是改变频率偏移，而是改变干涉器的“打开”时间。图15中的时序图说明了这一点。

图15。固定占空比的脉冲干扰

在这个例子中，干涉器将总是在同一个频道上，并且它将有一个10%的固定占空比。我们不是改变频率变量，而是改变“开启”时间T_在(因此也“关闭”时间)，并保留我们的固定占空比为10%。

占空比= T_在/ (T_在+ T_从）

虽然这些特定的测量是用脉冲连续波干涉(无调制)在sub-GHz频段进行的，但测量结果适用于任何LoRa调制解调器。使用的具体设置如下:

• 罗拉SF12
• FEC编码率= 4/5
• LoRa BW = 125 kHz
• LoRa符号时间= 32毫秒

图16。LoRa调制解调器的实测脉冲干扰抑制

图16显示了得到的测量结果。图顶部的红线表示不需要的干扰信号的功率水平。绿色实线显示了脉冲干涉存在时我们可以接收到的最小LoRa信号电平。

这里令人难以置信的结果是，一旦我们的干扰脉冲持续时间小于符号时间的大约50%，我们就获得了100 dB的相对信干扰比(SIR)。也就是说，接收信号的能力仅为屏蔽能力的100亿分之一。为了应对突发干扰，我们的LoRa调制解调器需要100 dB的信号干扰，对蓝牙的整体抑制相当于超过2厘米的总免疫能力。(图17所示。注意y轴单位的变化。)

图17。LoRa调制解调器对跳频BLE干扰的抑制