W-Seminar · Physik der Funkübertragung

LoRa-CSS. Simulation und Messung.

Untersuchung der Symbolerkennung unter Rauschen und Frequenzoffset. Interaktive CSS-Simulation, reproduzierbare Ergebnisse und ergänzende NanoVNA-Messungen zur komplexen Reflexion.

CSS-Symbol im ZeitbereichSF 7
0 ms1,024 ms
Symbol 17 · ohne RauschenB = 125 kHz · 128 Samples

Numerische Simulation und HF-Messtechnik

Signalverarbeitung · Reflexion · Antennenentwurf

Fragestellung und Methodik

Wie beeinflussen Spreading Factor, Rauschen und Frequenzabweichungen die Symbolerkennung in einem vereinfachten LoRa-CSS-Modell?

ExpressLRS liefert den Anwendungskontext der Arbeit. Untersucht wird ein vereinfachtes Modell der LoRa-Modulation auf Grundlage von Chirp Spread Spectrum. LoRa ist die Modulation; LoRaWAN bezeichnet ein Netzwerkprotokoll. Ergänzende NanoVNA-Messungen zeigen, wie Abschlüsse und Leitungen die Reflexion verändern.

Interaktive CSS-Simulation

Einfluss von Spreading Factor, Rauschen und Frequenzoffset auf Sendesignal, Dechirping und FFT-basierte Symbolerkennung.

CSS-Simulation wird geladen
Der Rust-Rechenkern wird für die Berechnung im Browser initialisiert.

Simulationsergebnisse

Statistische Auswertung der Symbolerkennung bei gleichem SNR pro Sample, gleichem Energieverhältnis und unterschiedlichen Frequenzoffsets.

Vergleich bei gleichem SNR pro Sample
Bei gleichem SNR pro Sample verbessert ein größerer SF die Erkennung. Gleichzeitig dauern die Symbole länger: SF 9 benötigt viermal so viel Zeit wie SF 7. Bei gleicher Signalleistung steigt auch die Symbolenergie auf das Vierfache.

Beobachtete Symbolfehlerrate

Jeder Punkt beruht auf 5.000 Symbolversuchen. Null beobachtete Fehler bedeuten keine Fehlerwahrscheinlichkeit von null. Die 95-%-Wilson-Intervalle stehen in den Datenpunkten.

Quelle: die drei numerischen Versuchskampagnen der Arbeit, Kapitel 6. Alle 135 Datenpunkte werden aus den gespeicherten CSV-Dateien übernommen.

NanoVNA-Messungen

Messung der komplexen Reflexion an verschiedenen Abschlüssen und Untersuchung des Leitungseinflusses auf Betrag und Phase.

OPEN, SHORT und LOAD
Vergleich von Leerlauf, Kurzschluss und angepasster Last.
Originalgrafik der Arbeit: Betrag und Phase der Reflexion für OPEN, SHORT und LOAD im Bereich 2,3 bis 2,5 GHz.

Leerlauf und Kurzschluss reflektieren stark, unterscheiden sich aber in der Phase. Eine angepasste Last reflektiert deutlich weniger. Betrag und Phase beschreiben gemeinsam die komplexe Reflexion.

Leitungseinfluss und Referenzebene
Änderung der komplexen Reflexion durch ein eingefügtes Koaxialkabel.
Originalgrafik der Arbeit zum Einfluss des eingefügten Koaxialkabels auf Betrag und Phase der komplexen Reflexion.

Das eingefügte Kabel verändert besonders die Phase. Das Signal läuft bis zum Abschluss und zurück. Deshalb ist der am Gerät gemessene S11-Wert zusammen mit der Referenzebene zu interpretieren.

Erkenntnisse und Grenzen

Die Ergebnisse lassen sich nur zusammen mit ihren Bezugsgrößen und Modellgrenzen sinnvoll bewerten.

Symbolzeit und Energiebedarf

Ein größerer SF verbessert im untersuchten Modell die Erkennung bei gleichem SNR pro Sample. Gleichzeitig steigen Symbolzeit und Symbolenergie bei gleicher Signalleistung.

Empfindlichkeit gegenüber Frequenzoffset

Ein Frequenzfehler kann den Vorteil aufheben. Derselbe Fehler in Hz entspricht bei höherem SF mehr FFT-Bins.

Grenzen der S11-Bewertung

Ein kleiner S11-Wert allein belegt weder einen hohen Antennenwirkungsgrad noch ausreichenden Gewinn in allen Richtungen.

Theoretische Entwurfsstudie

PCB-Antennenentwurf

Die Arbeit ergänzt Simulation und Messung um einen theoretischen PCB-Antennenentwurf: Anforderungen, eine IFA als Referenz sowie analytische Leitungs- und Anpassrechnungen. Die Studie umfasst keine Fertigung, elektromagnetische Feldsimulation oder Messung einer eigenen Antenne.

Prinzipdarstellung einer Inverted-F-Antenne aus dem theoretischen PCB-Entwurf der Arbeit.

Vollständige W-Seminararbeit

Herleitung, Methoden, Ergebnisse und Grenzen der Untersuchung stehen in der vollständigen W-Seminararbeit.