LoRa芯片規(guī)格參數(shù)、內(nèi)部架構(gòu)及參考設(shè)計(jì)詳解

一. SX1261/2簡介

Semtech公司在LORA產(chǎn)品領(lǐng)域芯片中近乎壟斷式的地位。

1、SX1261/2是Semtech公司新推出的兩款sub-GHz（小于1G）無線收發(fā)器。

2、SX1261/2芯片最大賣點(diǎn)是它的低功耗和超遠(yuǎn)距離的傳輸：

3、SX1261/2接收電流小于6.5mA，最低可小于4.2mA，休眠電流0.9~2.35，真正意義上實(shí)現(xiàn)了低功耗芯片；還有它5km的超遠(yuǎn)傳輸距離也是SX1262芯片強(qiáng)大功能的體現(xiàn)。

1、內(nèi)部具有TCXO晶振，可保證頻率準(zhǔn)確。

2、SX1261/2芯片工作頻段覆蓋150~960HMZ。

3、SX1261可以傳輸高達(dá)+15 dBm，而SX1262和SX1268可以傳輸高達(dá)+22 dBm

二. SX1261/2芯片的對(duì)外接口

（1）MCU數(shù)字接口和控制

SPI接口：片選NSS、時(shí)鐘SCK、MOSI、MISO外部的MCU單片機(jī)通過SPI串行接口對(duì)SX1261/2進(jìn)行配置、管理、數(shù)據(jù)包的收發(fā)。由于SPI接口是單向接口，只能由SPI master（MCU）主動(dòng)發(fā)起對(duì)SX1261/2的讀寫操作，因此如果只有SPI總線，那么MCU就只能通過查詢的方式對(duì)SX1261/2進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)。

為了能夠讓射頻芯片SX1261/2以異步的方式主動(dòng)向MCU通知其內(nèi)部的狀態(tài)信息，SX1261/2提供了一組可以配置的GPIO口DIO1-N。其中有兩個(gè)GPIO的功能極其重要：BUSY：忙狀態(tài)指示，用于SX1261/2向MCU指示，其內(nèi)部是否處于忙狀態(tài)或空閑狀態(tài)。表示芯片只有在該信號(hào)為低電平時(shí)才準(zhǔn)備好接收新命令。 當(dāng)BUSY很高時(shí)，在發(fā)送另一個(gè)命令之前，主機(jī)控制器必須等到它再次關(guān)閉。 處于忙狀態(tài)的SX1261/2是不接受MCU發(fā)過來的命令。這就提示MCU的驅(qū)動(dòng)程序，在通過SPI總線向SX1261/2發(fā)送命令時(shí)，必須先檢查Busy狀態(tài)指示。

IRQ：中斷指示，用于SX1261/2向MCU指示，其內(nèi)部發(fā)生了預(yù)定義的特殊事件，如射頻芯片有從空口中接收到的數(shù)據(jù)，射頻芯片發(fā)送完MCU請(qǐng)求發(fā)送的數(shù)據(jù)。

其他的控制信號(hào)有：

NRESET：用于MCU復(fù)位射頻芯片

（2）射頻接口

VR_PA：發(fā)送功率控制

RFO：RF射頻輸出

RFI_N, RF_P：RF射頻輸入

（3）本地晶振接口

XTA、XTB

（4）電源接口

VDD、VR_xx、Vxx、VBAT（電池電源）

GND

三. 參考原理圖

Sx1262比1261多出一個(gè)C3電容。ANT_SW和DIO2：用于控制天線的收、發(fā)切換。射頻芯片接收信號(hào)的時(shí)候不能發(fā)送信號(hào)，發(fā)送信號(hào)的時(shí)候不能接收信號(hào)。

1.數(shù)據(jù)平面：業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收

（1）天線：關(guān)注電磁波信號(hào)發(fā)射與接收

Maching：天線的阻抗匹配。

阻抗匹配（impedance matching） 主要用于傳輸線上，以此來達(dá)到所有高頻的微波信號(hào)均能傳遞至負(fù)載點(diǎn)的目的，而且?guī)缀醪粫?huì)有信號(hào)反射回來源點(diǎn)，從而提升能源效益。

信號(hào)源內(nèi)電阻與所接傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同，或傳輸線的特性阻抗與所接負(fù)載阻抗的大小相等且相位相同，分別稱為傳輸線的輸入端或輸出端處于阻抗匹配狀態(tài)，簡稱為阻抗匹配。

LPF：低通濾波器

低通濾波器是容許低于截止頻率的信號(hào)通過， 但高于截止頻率的信號(hào)不能通過的電子濾波裝置。通常由電容和電感組成，如：

通過低通濾波器后的電磁波頻譜：

（2）RF層：射頻信號(hào)發(fā)送Tx， 關(guān)注電磁波信號(hào)的發(fā)送頻率和功率

PA：射頻功率放大器（給信號(hào)增加能量）

在發(fā)射機(jī)的前級(jí)電路中，調(diào)制振蕩電路所產(chǎn)生的射頻電磁波信號(hào)功率很小，需要經(jīng)過一系列的放大一緩沖級(jí)、中間放大級(jí)、末級(jí)功率放大級(jí)，獲得足夠的射頻功率以后，才能饋送到天線上輻射出去。為了獲得足夠大的射頻輸出功率，必須采用射頻功率放大器。

PLL：鎖相環(huán)

用來統(tǒng)一整合時(shí)鐘信號(hào)，使高頻器件正常工作，大多數(shù)電子設(shè)備要正常工作，通常需要外部的輸入信號(hào)與內(nèi)部的振蕩信號(hào)同步。一般的晶振由于工藝與成本原因，做不到很高的頻率，而在需要高頻應(yīng)用時(shí)，由相應(yīng)的器件VCO，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)成高頻，但并不穩(wěn)定，故利用鎖相環(huán)路就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且高頻的時(shí)鐘信號(hào)。

（3）RF層：射頻信號(hào)接收Rx，關(guān)注電磁波信號(hào)的接收頻率和功率

LNA：低噪聲放大器，噪聲系數(shù)很低的放大器。

一般用作各類無線電接收機(jī)的高頻或中頻前置放大器，以及高靈敏度電子探測(cè)設(shè)備的放大電路。

在放大微弱信號(hào)的場(chǎng)合，放大器自身的噪聲對(duì)信號(hào)的干擾可能很嚴(yán)重，因此希望減小這種噪聲，以提高輸出的信噪比。

LNA能夠能夠降低噪聲的同時(shí)，對(duì)原有的微弱輸入信號(hào)進(jìn)行放大的裝置。

ADC: 模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

（4）L1層：調(diào)制解調(diào)Modem，關(guān)注如何用模擬信號(hào)表示數(shù)字信號(hào)0和1這樣的數(shù)字信號(hào)，是無法直接通過模擬的電磁波發(fā)送的。調(diào)制是把0和1這樣的數(shù)字信息，使用模擬的無線電磁波信號(hào)來表示的方法。不同的表示方法，稱為不同的調(diào)制技術(shù)。通信系統(tǒng)中發(fā)送端的原始電信號(hào)通常具有頻率很低的頻譜分量，一般不適宜直接在空口信道中進(jìn)行傳輸。因此，通常需要將原始信號(hào)變換成頻帶適合信道傳輸?shù)母哳l信號(hào)，這一過程被稱為模擬調(diào)制。信號(hào)調(diào)制是使一種波形的某些特性按另一種波形或信號(hào)而變化的過程或處理方法。在無線電通信中，利用電磁波作為信息的載體。經(jīng)過調(diào)制可以對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行頻譜搬移，調(diào)制后的信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)，已調(diào)信號(hào)攜帶有信息且適合在信道中進(jìn)行傳輸。

SX1261/2支持兩種調(diào)制方式：移頻鍵控調(diào)制FSK和LoRa擴(kuò)頻監(jiān)控調(diào)制。

FSK Modem：頻移鍵控（FSK）頻移鍵控是利用載波的頻率隨數(shù)字基帶信號(hào)的變化來傳遞信息的數(shù)字調(diào)制方式在二進(jìn)制頻移鍵控（2FSK）中，二進(jìn)制信息“0”和“1”分別對(duì)應(yīng)載波信號(hào)的兩個(gè)頻率 f0 和 f1 。即用頻率f0的電磁波信號(hào)表示0，用頻率f1的電磁波信號(hào)表示。

當(dāng)接收方收到頻率為f0的電磁波，就表示數(shù)字信息0。當(dāng)接收方收到頻率為f1的電磁波，就表示數(shù)字信息1。

LoRa Modem

LoRa調(diào)制解調(diào)器采用專利擴(kuò)頻調(diào)制和前向糾錯(cuò)技術(shù)。與傳統(tǒng)的FSK調(diào)制技術(shù)相比，具有更強(qiáng)的抗干擾性，擴(kuò)大了LoRa無線通訊鏈路的覆蓋范圍（實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離無線傳輸），提高了鏈路的魯棒性。這是涉及幾個(gè)重要的參數(shù)

調(diào)制帶寬：這是指被調(diào)制無線信號(hào)的帶寬。

擴(kuò)頻因子：LoRa調(diào)制采用的是擴(kuò)頻技術(shù)，需要一個(gè)擴(kuò)頻碼，擴(kuò)頻因子表示了每個(gè)信息位發(fā)送的符號(hào)數(shù)。

信號(hào)帶寬（BW）：

信道帶寬（BW）是限定允許通過該信道的信號(hào)下限頻率和上限頻率，可以理解為一個(gè)頻率通帶。比如一個(gè)信道允許的通帶為1.5kHz至15kHz，則其帶寬為13.5kHz

在LoRa中，增加BW，可以提高有效數(shù)據(jù)速率以縮短傳輸時(shí)間，但是 以犧牲部分接受靈敏度為代價(jià)。對(duì)于LoRa芯片SX12xx，LoRa帶寬為雙邊帶寬（全信道帶寬），而FSK調(diào)制方式的BW是指單邊帶寬。

LoRa帶寬選項(xiàng)：

空中速率：

所謂空中速率表示LoRa/FSK 無線（在空氣中的）通訊速率，也叫空中波特率，單位bps，

空中速率高，則數(shù)據(jù)傳輸速度快，傳輸相同數(shù)據(jù)的時(shí)間延遲小，但傳輸距離會(huì)變短

編碼率（CR）

編碼率，是數(shù)據(jù)流中有用部分的比例。

編碼率（或信息率）是數(shù)據(jù)流中有用部分（非冗余）的比例。也就是說，如果編碼率是k/n，則對(duì)每k位有用信息，編碼器總共產(chǎn)生n位的數(shù)據(jù)，其中n-k是多余的。

LoRa采用循環(huán)糾錯(cuò)編碼進(jìn)行前向錯(cuò)誤檢測(cè)與糾錯(cuò)。。使用該方式會(huì)產(chǎn)生傳輸開銷。。

每次傳輸產(chǎn)生的數(shù)據(jù)開銷如下：

在存在干擾的情況下，前向糾錯(cuò)能有效提高鏈路的可靠性。由此，編碼率（抗干擾性能）可以隨著信道條件的變化而變化，可以選擇在報(bào)頭加入編碼率以便接收端能夠解析

（5）L1層：protocol engine物理層協(xié)議引擎，關(guān)注物理層的數(shù)字幀結(jié)構(gòu)。

LoRa調(diào)制前的物理層幀結(jié)構(gòu)：

（6）L1層：關(guān)注如何內(nèi)部buffer，接收和發(fā)送L1層的用戶數(shù)據(jù)。

（7）L1層：關(guān)注如何內(nèi)部buffer，接收和發(fā)送L1層的用戶數(shù)據(jù)。

Data buffer用于存放物理層L1的數(shù)據(jù)幀，包括接收緩存和發(fā)送緩存。

數(shù)據(jù)buffer的內(nèi)存大小最大長度為256字節(jié)，且為發(fā)送和接收共享。

1.控制平面：控制業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接口的信令

（1）SPI：所有的協(xié)議控制都是通過SPI總線下發(fā)，關(guān)注控制數(shù)據(jù)平面的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的命令。

2.管理平面：對(duì)設(shè)備和芯片進(jìn)行配置和管理。

（1）SPI： SPI管理接口

（2）GPIO：芯片內(nèi)部狀態(tài)指示接口，如busy、中斷等

3.時(shí)鐘同步平面：不同網(wǎng)元或設(shè)備內(nèi)部不同芯片模塊之間的時(shí)鐘同步

（1）OSC： 用于空口所需要的高頻時(shí)鐘。

五. SX1261/2的6種操作/工作模式

SX1261/2可以工作在如下幾種工作模式下：

SX127x可以工作在如下幾種工作模式下（作為參考、對(duì)比）

從上述的工作模式信息，我們可以得出如下幾個(gè)重要結(jié)論

（1）如果需要通過LoRa空口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，必須從其他低功耗狀態(tài)切換的Tx或Rx模式。

（2）接收和發(fā)送是不同的模式，因此射頻芯片不能同時(shí)接收和發(fā)送。在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)前，必須先切換模式。

（3）不同的工作模式，其內(nèi)部的工作電流不同，因此模式的設(shè)置、控制、調(diào)度，對(duì)于低功耗的代碼實(shí)現(xiàn)，起著至關(guān)重要的作用。特別是對(duì)物理層幀的調(diào)度算法, 是這里的核心。

在通信系統(tǒng)中，對(duì)物理層幀的設(shè)置、控制、調(diào)度運(yùn)行是L2的功能，運(yùn)行MCU上。

如下是幾種狀態(tài)之前的切換，對(duì)該狀態(tài)的管理，稱為狀態(tài)機(jī)管理，由L2層的調(diào)度程序來控制。

六. SX1261/2 MCU主機(jī)訪問

不同于那些把所有操作都直接基于“寄存器地址空間”訪問的芯片，LoRa視頻芯片暴露給MCU的是：基于“命令”的訪問。有點(diǎn)類似所謂的AT命令的格式。

因此MCU是通過“命令”的方式配置、管理、控制LoRa芯片的工作方式。

同時(shí)MCU也是通過“命令”的方式，從LoRa內(nèi)部data buffer中讀取數(shù)據(jù)，向LoRa內(nèi)部data buffer中寫入數(shù)據(jù)。

SX1261/2通過GPIO busy管腳向MCU指示，當(dāng)前是否正在執(zhí)行某一個(gè)命令，命令的執(zhí)行是否完成，以允許或禁止執(zhí)行下一個(gè)命令。

MCU可以通過置位NSS復(fù)位管腳，強(qiáng)制SX1261/2終止正在執(zhí)行的命令。

1.命令格式

2.命令的分類

（1）配置芯片的操作模式或工作模式相關(guān)的命令（這是LoRa芯片提供給MCU方便地控制其行為的快捷的方式）

（2）訪問芯片內(nèi)部的寄存器或data buffer相關(guān)的命令（這是LoRa芯片提供的常規(guī)訪問寄存器的方式）

（3）配置GPIO和中斷相關(guān)的命令

（4）控制RF、調(diào)制解調(diào)和L1物理層幀格式相關(guān)的命令

（5）獲取芯片內(nèi)部狀態(tài)相關(guān)的命令

這里有一個(gè)關(guān)鍵的狀態(tài)：RSSI, 接收信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度。這個(gè)信號(hào)強(qiáng)度可以知道LoRa的終端收到的LoRa基站信號(hào)的強(qiáng)度。

七. 寄存器列表