LoRa测试攻略

孙振砾 罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司

编者按：LoRa特指低功耗广域物联网通信技术中的一种，该技术方案由美国Semtech公司采用和推广，是基于扩频技术的超远距离无线传输技术。罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司孙振砾所撰《LoRa测试攻略》一文介绍了LoRa测试攻略，展示了如何使用罗德与施瓦茨公司的测量设备进行LoRa射频收发信机测量。罗德与施瓦茨公司凭借无线通信测试领域的丰富经验，为LoRa无线通信制式测试提供了收发信机的完整测试解决方案，针对发射机的带宽、功率密度、杂散等指标可直接使用统计和统计功能实现测量；针对接收机灵敏度测试和接收机阻塞测试，使用矢量信号源和模拟干扰源可轻松搭建试验环境；同时针对生产型客户，还提供了丰富的低成本仪器，降低客户拥有成本，轻松实现测试线的建立。

1 引言

LoRa（LongRange）特指低功耗广域物联网通信技术中的一种，该技术方案由美国Semtech公司采用和推广，是基于扩频技术的超远距离无线传输技术。该技术标准在全球免费频段运行，由于极低的功率消耗，使其成为物联网数据传输的理想方案，可运用在工业、物流、环保技术、智能农业、智能城市、智能家居等众多领域。

设备在接入LoRa网络之前，必须根据各国无线通信标准进行测试。本文为开发和生产设备的人员和公司展示了如何使用罗德与施瓦茨公司的测量设备进行LoRa射频收发信机测量。

2 技术背景及产品简介

2.1 LoRa技术基础

LoRa设备功耗极低同时具备在低速率传输条件下高达15km的无线覆盖范围，使用Chirp扩频（线性调频扩频）的调制技术。顾名思义，该调制技术的基础是Chirp（线性调频信号），在此基础上进行扩频调制，由于Chirp也是频率调制的一种，保持了类似FSK的低功耗特性，在同样的功率消耗下，明显地增加了通信距离，同时还具有良好的鲁棒性和抗多普勒频移的能力。目前，该调制方式已经被纳入IEEE标准802.15.4a的物理层规范中。

在实际的LoRa信号传输过程中，每个图1中的脉冲代表一个传输符号，许多个按时间顺序排列的上升或下降斜率脉冲序列代表了特定的符号序列（见图2）。

图1 一个线性调频脉冲内上升斜率信号示意

图2 由上升/下降斜率的多个脉冲构成的LoRa信号

2.2 LoRaWAN

LoRaWAN定义了网络的通讯协议和系统架构，而LoRa物理层能够使长距离通信链路成为可能（见图3）。协议和网络架构对节点的电池寿命、网络容量、服务质量、安全性、网络的各种应用服务质量等影响最大。

LoRa MAC层和LoRa波形、地区因素之间的定义和交互由“LoRaAlliance”标准化组织定义和管理，所有的芯片制造商、无线模块生产商、传感器制造商、网络运营商、IT服务商和测试机构都需要根据此标准化协议进行设计开发和测试。

2.3 LoRaWAN系统架构

LoRa无线技术，可在使用一台无线基站在方圆数公里的范围内构建无线网络，LoRaWAN网络是星形组网结构，LoRa物联网终端与网关无线通信，网关将数据传送至网络服务器，物联网上层应用和网络服务器连接和交互（见图4）。

为保证通信安全，终端设备和网关，网关和网络服务器之间均采用128bit的AES加密。

3 LoRa设备测试

本文中的射频发射机测试均根据FCC Part15 15.247测试规范为例，其它国家和地区的测试项目和规范（ETSI，ARIB）和FCC基本一致。使用的仪表为罗德与施瓦茨公司的频谱与信号分析仪和矢量信号源。图5为FCC规定的发射机测试限值。

针对接收机测试，FCC并未做任何定义和要求，但Semtech公司给出了典型的接收机测试推荐方法，包含接收灵敏度和阻塞测试。

3.1 发射机测试

图3 LoRaWAN协议栈

针对图5中的测试要求，罗德施瓦茨公司的频谱与信号分析仪具备强大的测试测量功能。图6为LoRa发射机测试连接。如图7所示，根据被测信号的测试频率，调整合适的频谱仪中心频率和带宽，加入测量Marker点后，使用Marker功能自带的6dB带宽统计功能可自动计算LoRa发射信号的带宽。针对具体的测试项目，需要使用LoRa测试工具，控制发射机使用不同扩频因子的情况下测量其不同的占用带宽。

图4 LoRaWAN网络架构

图5 LoRaFCC发射机测试指标

图6 LoRa发射机测试连接

针对FCC的发射功率测试，频谱与信号分析仪具备信道功率统计功能，该功能通过对整个发射带宽内的功率进行积分统计，直接读取整个信道内发射功率。其他测试项目如功率密度和杂散发射等指标也可以直接通过频谱与信号分析仪的测量功能直接实现（见图8）。

3.2 接收机测试

进行LoRa接收机灵敏度时，Semtech为罗德与施瓦茨公司的矢量信号源提供了一系列特定的LoRa波形文件，这些波形文件包含了各种不同的信号带宽和扩频系数，射频载波通过装载在信号源ARB内基带波形信号矢量调制，输出至接收机。通过不断降低信号源输出功率，使用LoRa测试工具监测接收机的误包率，针对不同的扩频系数，接收机的接收灵敏度范围大致为-137dBm至-117dBm。图9为LoRa接收机灵敏度测试布置。

如图10所示，根据测试频率调整矢量信号源输出频率和输出电平，将波形文件加载后调制至射频输出。

接收机测试的另外一项关键指标是阻塞测试，该项测试主要考察接收机在接收到强干扰信号情况下的性能。该项测试在需要有用信号的同时，还需要增加一路干扰阻塞信号。可通过模块化信号源SGS100A提供干扰信号，和矢量信号源产生的有用信号合路后馈入接收机输入口，针对特定的阻塞电平和频率，使用LoRa测试工具观测接收机误包率，典型误报包率数值要求为＜1%。图11为LoRa接收机阻塞测试布置。

图8 扩频系数=12发射功率

4 结束语

罗德与施瓦茨公司凭借无线通信测试领域的丰富经验，为LoRa无线通信制式测试提供了收发信机的完整测试解决方案，针对发射机的带宽、功率密度、杂散等指标可直接使用统计和统计功能实现测量；针对接收机灵敏度测试和接收机阻塞测试，使用矢量信号源和模拟干扰源可轻松搭建试验环境；同时针对生产型客户，还提供了丰富的低成本仪器，降低客户拥有成本，轻松实现测试线的建立。

图9 LoRa接收机灵敏度测试布置

图10 知量信号源设置界面

图11 LoRa接收机阻塞测试布置

罗德与施瓦茨公司自成立至今的80多年间，一直致力于为无线电通信提供高性能的测试与测量仪器。