【LoRa】CAD的工作原理以及使用

news2024/9/24 15:25:33

1 CAD介绍

本章介绍一下LoRa芯片的CAD功能、原理以及如何使用。由于第一代SX127x的CAD使用与以后的芯片有所不同，本章介绍不适用SX127x。首先，我将datasheet中对CAD的介绍贴图在这里，如下图。
CAD介绍
其意思我大致解释一下。

从LoRa芯片第二代以后，即SX1261/SX1262/1268/LLCC68/SX1280/SX1281/LR1110/LR1120/LR1121，CAD不仅可以检测LoRa preamble，还可以检测LoRa packet，而以前老的芯片SX1272/SX1276/SX1278只能检测LoRa preamble。
在CAD模式，radio芯片将会扫描LoRa信号，扫描时间是在代码中定义的N个symbol¹ 时间。在此时间段内，如果检测到LoRa信号，将会产生CAD Detected IRQ中断。
可选择配置的symbol个数为1、2、4、8、16，这个参数的选择与SF和BW² 有关。

1.1 CAD工作原理

CAD执行过程是扫描空中信号，然后按照配置的SF和BW进行信号解析，将相关的信号峰值与噪声相比：如果比值超过peak-to-noise ratio (PNR) 的门限，CAD将认为有LoRa信号存在。
注意此处所说的PNR是指cadDetPeak值，这是代码中需要设置的一个参数。

1.2 与CAD有关的中断

与CAD相关的中断有两个：CadDone和CadDetected。打开CAD，不管有没有扫描到LoRa信号，一定会产生CadDone中断。但若检测到LoRa信号，则会同时产生CadDetected中断。下图是datasheet中的解释。
CAD中断
在代码中，CadDone和CadDetected中断的处理过程是嵌套的，示例代码如下：

if( ( irq_regs & SYSTEM_IRQ_CAD_DONE ) == SYSTEM_IRQ_CAD_DONE )
{
    HAL_DBG_TRACE_INFO( "CAD done\n" );
    if( ( irq_regs & SYSTEM_IRQ_CAD_DETECTED ) == SYSTEM_IRQ_CAD_DETECTED )
    {
        HAL_DBG_TRACE_INFO( "Channel activity detected\n" );
        on_cad_done_detected( );
    }
    else
    {
        HAL_DBG_TRACE_INFO( "No channel activity detected\n" );
        on_cad_done_undetected( );
    }
}

2 CAD的使用

CAD执行过程是在没有MCU干预下完成的，可分为两个步骤：

Reception：开始CAD，在使用者设定的symbol时间窗口内扫描。
Correlation：这个是处理过程，会占用少于1个symbol的时间。这个过程会决定有没有CadDetected中断产生。

2.1 CAD总耗时

由上可知，CAD总的耗时包括CAD开窗时间和CAD处理时间，下图为具体耗时计算公式，并举例说明。
CAD耗时

2.2 CAD均衡配置

影响CAD功能的参数主要有两个：Window Duration和Peak-to-Noise Threshold（cadDetMin默认设置为10，不建议更改）。

Window Duration：这个参数可以通过symbol number来配置，它决定了CAD开窗时间，增大可以增加CAD的可靠性，但增大时长也意味着增加功耗。另外，改变symbol number时，只要SF和BW不变，不用重调cadDetPeak的值。如下图增加symbol个数后所产生的影响。
Peak-to-Noise Threshold：指cadDetPeak值，这个参数决定了CAD判断LoRa信号的灵敏性，cadDetPeak值过小会造成false detect，过大会丢包，如下图测试结果，所以这个值也是需要综合考虑选取的。

2.3 最优配置速查表

为了可以快速的配置合适的参数，Semtech做了一些实验验证，总结得出一些表格，这样大家在使用时可以快速查表使用。表格非包含全部情况，如果没有要使用的参数，也可以根据现有参数推断出一个合理的值。
下图为使用SX128x的CAD配置，推荐使用4 symbols，cadDetMin等于10不用改动，表中提供了当使用不同SF和BW时，选择cadDetPeak的值。
SX128x CAD配置表
下边两张表格为SX126x使用BW125KHz时，最优配置。
SX126x CAD 表1
SX126x CAD表2
下边两张表格为SX126x使用BW500KHz时，最优配置。
SX126x CAD表3
SX126x CAD表4

3 CAD的应用

3.1 CAD项目使用

在此直接举个例子说明一下在项目中如何使用CAD功能，CAD一般应用在低功耗唤醒的逻辑中。
现有一个节点，配置参数为SF=7，BW=125KHz，cadSymbolNum=2，每休眠2s执行一次CAD监听。
根据公式T_symbol = 2^SF / BW，计算单个symbol的时间为1.024ms。
根据公式CAD Duration[s] = (cadSymbolNum + (2*SF + 3) / 32) * T_symbol，计算CAD开窗时间是2.592ms。
发送端需要配置的preamble长度所耗时间要大于接收端sleep周期+2倍的CAD开窗时间： T_preamble > (2s + 2 * 2.592ms) = 2005.184ms
则我们需要设定发送端preamble长度为 N_preamble=2000，T_preamble=( N_preamble + 4.5) * T_symbol = (2000 + 4.5) * 1.024ms = 2052.608ms > 2005.184ms，以此来保证每次都可以将接收端从sleep模式唤醒。
在此我解释一下上边计算T_preamble时，为什么要加4.5个symbol。由下图物理层规定可知，preamble还包含sync word和frequency sync两部分，所以要加4.5个symbol。
LoRa的preamble结构

3.2 CAD扩展应用CSMA

CSMA(Carrier Sense)是一种无线通信技术，注意此技术不是radio自带功能，而是纯应用层使用逻辑，其作用是无线发射机在发包之前先侦听无线环境，检测信道是否空闲，是否有其他信号干扰。提到信道检测，大家可能会想到使用读取信号RSSI(Receive Signal Strength Indication)技术来做，但对于LoRa而言，也是LoRa与FSK技术的主要不同点之一，LoRa信号允许在环境噪声水平以下传输，而使用RSSI技术检测不到环境噪声以下的信号，但CAD技术可以读取radio灵敏度3dB范围内的LoRa信号。也就是说即使LoRa信号在环境噪声以下，也可以被检测到。
由此，我们可以把CAD+RSSI两种技术组合使用，起名为CSMA。其运行机制是在进行CAD的时间内，此时radio为RX状态，同时使用寄存器读取当前信道RSSI值。然后，根据这两种功能的读取结果去判断当前信号是否有其他信号干扰。当然，在实际应用中，需要过滤RSSI的值，因为RSSI是瞬时能量值，波动较大，需要读很多次，然后掐头去尾求取平均值使用比较稳妥。下图为在使用CSMA系统时的一些介绍。
CSMA

4 参考文献

关于CAD功能，在此推荐一些参考文档，这些文档都是来自Semtech官网的Application Note，想了解更多CAD的可免费下载阅览。
AN1200-77-SX1280_CAD-V1_0.pdf
SX126X CAD performance evaluation V2.1.pdf
AN1200.21 SX127x Reading channel RSSI during a CAD.pdf
关于SX127x的低功耗设计的文章中也有讲到CAD的使用，文档为AN1200.17_LoraLowEnergyDesign_STD.pdf