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Modulação LoRa (TEL263)

Com o aumento das aplicações em que a tecnologia LoRa (Long Range – Longo Alcance) é utilizada, conhecer o modo como ela opera é fundamental para todo o profissional, estudante ou professor de eletrônica. Neste artigo focalizamos o princípio de funcionamento deste tipo de modulação.

A modulação usada na tecnologia LoRa é derivada da tecnologia CSS ou Chirp Spread Spectrum Modulation ou Trinados de Modulação de Espectro espalhado. Para os que desejarem uma introdução ao assunto, sugerimos a leitura de nosso artigo TEL073 – Espectro Espalhado e Pacotes de Rádio. Neste artigo vamos além, com um tratamento adicional mais profundo.

Na tecnologia LoRa os dados são tratados de modo a se obter sensibilidade maior dentro de uma largura fixa de faixa. Ela implementa uma velocidade variável de dados, utilizando fatores ortogonais de espalhamento, de modo que o projetista pode trabalhar com alcance ou potência, otimizando assim a operação da rede numa largura constante de faixa.

 

Comunicação em Espectro Espalhado

O melhor entendimento de como funciona a comunicação em espectro espalhado pode ser obtido com uma breve análise do Teorema de Shannon, citado nos estudos de teoria da informação.

O teorema de Shannon estabelece a capacidade de comunicação de um link (taxa de dados) em função da largura de faixa e do nível de interferência ou ruído.

Temos então a equação:

 


 

 

 

Onde:

C = capacidade do canal (bit/s)

B = Largura do canal (Hz)

S = potência média do sinal recebido (W)

N = Potência média do ruído ou interferência (W)

S/N = Relação sinal/ruído expressa como uma relação linear de potência

 

Analisando esta equação podemos ver que para transmitir sinais livres de erro num canal que tenha uma relação fixa sinal/ruído é apenas suficiente que a largura de faixa seja aumentada.

Nos sistemas tradicionais de Espectro Espalhado de Sequência direta ou DSSS – Direct Sequence Spread Spectrum a fase da portadora do transmissor muda conforme uma sequência de código.

Este processo é feito multiplicando-se o sinal de dados desejado por um código de espalhamento, também conhecdo como “chip sequence”. Esta vhip sequence ocorre numa velocidade muito maior do que o sinal de dados espalhando com isso a faixa do sinal para além da faixa ocupada pelo sinal original (figura 1)

.

Figura 1 – Processo de modulação
Figura 1 – Processo de modulação

 

No receptor, o sinal de dados é recuperado com a multiplicação de uma replica da sequência de espalhamento gerada localmente. Assim, o processo de multiplicação no receptor comprime de modo efetivo o sinal para sua banda original não espalhada, como mostrado na figura 2..

 

Figura 2 – O processo de demodulação
Figura 2 – O processo de demodulação

 

 

Espectro Espalhado por Trinado

O termo “trinado” lembra o canto curto dos passarinhos, como o canário, sendo usado o termo em inglês “chirp” o que leva ao Chirp Spread Spectrum.

Esta tecnologia já vem sendo usada desde 1940 pelos radares e também em aplicações militares de comunicação segura.

Ultimamente esta tecnologia tem sido usada de forma mais ampla dada sua robustez na comunicação de dados e também pela baixa potência de transmissão exigida.

Abreviada por CSS (Chirp Spread Spectron) esta técnica usa um faixa ampla linear de frequência modulada por pulsos curtos (chirp) que codificam a informação. O IEEE adota para esta modalidade a CSS PHY para redes locais pessoais sem fio de baixa taxa de dados.

 

LoRa

Com a adoção desta tecnologia obtém-se uma série de vantagens nas comunicações de longo alcance (LoRa) usando baixa potência, tais como:

 

a) Faixa passante escalável

A modulação LoRa é escalável tanto em frequência como em largura de faixa, de modo a poder ser usada tanto no modo de salto de frequência em banda estreita como em sequência direta.

 

b) Envelope Constante/Baixa Potência

Como a LoRa é similar a FSK com um esquema de modulação envelope constante os mesmos estágios PA de baixo custo de alta eficiência podem ser usados sem modificação.

 

c) Alta robustez

Os sinais LoRa são muito resistentes tanto a interferência na faixa como fora da faixa, com excelente imunidade a interferência de AM pulsada.

 

d) Resistente a Trajetos Múltiplos e Fading

Os sinais com trajetos múltiplos ou sujeitos ao fenômeno do fading (desvanescimento) são rejeitados o que torna o sistema LoRa ideal para locais urbanos e suburbanos onde ocorrem esses problemas.

 

e) Resistente ao efeito Doppler

As alterações do sinal que ocorrem pelo efeito Doppler não afetam a integridade dos sinais Lora.

 

f) Longo Alcance

Este é, sem dúvida, o principal atrativo da tecnologia LoRa que excede em muito o FSK tradicional.

Poderíamos acrescentar a esta relação muitas outras características da tecnologia LoRa que a torna ideal para aplicações atuais, principalmente na internet das coisas (IoT).

Diversos documentos técnicos podem ser encontrados na Internet destacando o funcionamento desta tecnologia, produtos específicos de empresas, considerações técnicas e muito mais para quem domina o inglês e deseja saber tudo sobre LoRa. Em especial recomendando o AN1200.22 da Semtech que pode ser acessado em: https://www.semtech.com/uploads/documents/an1200.22.pdf .

Também recomendamos a leitura de nossos artigos no site como o TEL073 – Espectro Espalhado e Pacotes de Rádio e TEL231 – Modulação, o segredo do alcance.

 

 

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