Capítulo 3 — Modulação LoRa (Camada Física)

3. Modulação LoRa

A tecnologia LoRa define exclusivamente a camada física (PHY) do sistema de comunicação.
Ela não trata de endereçamento, segurança, autenticação ou roteamento — esses aspectos são responsabilidade do LoRaWAN, que será abordado em capítulos posteriores.

O grande diferencial do LoRa é sua modulação baseada em Chirp Spread Spectrum (CSS), que permite:

• Comunicação de longo alcance

• Alta robustez contra ruído e interferências

• Baixo consumo de energia

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3.1 Chirp Spread Spectrum (CSS)

3.1.1 O que é um chirp

Um chirp é um sinal cuja frequência varia ao longo do tempo, aumentando ou diminuindo de forma linear.

• Up-chirp: frequência cresce com o tempo

• Down-chirp: frequência decresce com o tempo

No LoRa, a informação não é codificada na amplitude ou na fase do sinal, mas sim na posição temporal do chirp dentro de uma janela de tempo.

Isso torna a comunicação:

• Extremamente robusta a ruído

• Capaz de operar com SNR negativo

• Pouco sensível a variações de potência

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3.1.2 Espalhamento espectral no LoRa

No CSS:

• Cada símbolo ocupa toda a largura de banda

• O espalhamento aumenta a imunidade a interferências

• A demodulação ocorre por correlação, não por simples detecção de energia

Essa técnica permite que:

• Múltiplos dispositivos transmitam simultaneamente

• Usando o mesmo canal

• Com diferentes Spreading Factors (SF)

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3.2 Spreading Factor (SF)

O Spreading Factor é o principal parâmetro da modulação LoRa.

Ele define:

• A quantidade de bits por símbolo

• A duração do símbolo

• A sensibilidade do receptor

• O alcance da comunicação

Valores típicos

SF	Bits por símbolo
SF7	7 bits
SF8	8 bits
SF9	9 bits
SF10	10 bits
SF11	11 bits
SF12	12 bits

Quanto maior o SF:

• ⬆️ Maior alcance

• ⬆️ Maior robustez

• ⬇️ Menor taxa de dados

• ⬆️ Maior tempo no ar (Time on Air)

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Ortogonalidade dos SFs

Os SFs no LoRa são quase ortogonais entre si.
Isso significa que um gateway pode:

• Receber simultaneamente múltiplos pacotes

• No mesmo canal

• Desde que utilizem SFs diferentes

🔎 Nota prática AU915
Essa característica é essencial para redes densas no Brasil, como:

• Campi universitários

• Prédios inteligentes

• Condomínios

• Cidades inteligentes

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3.3 Largura de banda (Bandwidth — BW)

A largura de banda define a faixa de frequências ocupada pelo chirp.

Valores comuns no LoRaWAN:

• 125 kHz

• 250 kHz

• 500 kHz

No AU915:

• Uplink: normalmente 125 kHz

• Downlink: pode usar 500 kHz (canais de alta velocidade)

Impactos da largura de banda

BW maior	BW menor
⬆️ Taxa de dados	⬆️ Sensibilidade
⬇️ Tempo no ar	⬆️ Alcance
⬇️ Alcance	⬇️ Taxa de dados

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3.4 Taxa de símbolos e taxa de dados

Taxa de símbolos

$$R_s = \frac{BW}{2^{SF}}$$

Exemplo:

• BW = 125 kHz

• SF = 10

$$R_s = \frac{125000}{1024} \approx 122 \text{ símbolos/s}$$

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Taxa de dados útil

A taxa de dados depende de:

• SF

• BW

• Coding Rate (CR)

$$R_b = SF \cdot \frac{BW}{2^{SF}} \cdot CR$$

Onde:

• CR = 4/5, 4/6, 4/7 ou 4/8

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3.5 Coding Rate (CR)

O Coding Rate adiciona bits de redundância para correção de erros.

CR	Eficiência
4/5	Maior taxa
4/8	Maior robustez

🔎 Nota prática
Na maioria das redes LoRaWAN comerciais:

• Usa-se CR = 4/5

• CR mais altos só em ambientes extremamente ruidosos

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3.6 Time on Air (ToA)

O Time on Air é o tempo que um pacote permanece no ar.

Ele depende de:

• SF

• BW

• CR

• Tamanho do payload

Por que o ToA é crítico?

• Consome bateria

• Impacta a capacidade da rede

• Afeta diretamente a escalabilidade

🔎 Nota AU915 (Brasil)
Embora não exista duty cycle fixo como no EU868:

• Existe limite de dwell time

• Pacotes longos (SF alto) reduzem a capacidade da rede

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Exemplo prático

Payload: 24 bytes
BW: 125 kHz
CR: 4/5

SF	ToA aproximado
SF7	~56 ms
SF10	~371 ms
SF12	~1483 ms

➡️ SF12 ocupa o canal ~26× mais tempo que SF7.

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3.7 Sensibilidade do receptor

A sensibilidade teórica pode ser estimada por:

$$S = -174 + 10\log_{10}(BW) + NF + SNR_{min}$$

Onde:

• −174 dBm/Hz → ruído térmico

• NF → Noise Figure do receptor

• SNRmin → SNR mínimo do SF

Valores típicos:

• SF7 → ~−123 dBm

• SF12 → ~−137 a −148 dBm (dependendo do chip)

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3.8 Impacto prático na rede LoRaWAN (AU915)

Escolhas típicas no Brasil

• Uplink: 125 kHz, SF7–SF10

• Downlink: 500 kHz

• ADR habilitado

• SF12 apenas quando necessário

Boas práticas

✔️ Evitar SF alto desnecessariamente
✔️ Reduzir Time on Air
✔️ Melhorar posicionamento de gateways
✔️ Usar antenas adequadas

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Encerramento do Capítulo 3

Neste capítulo você aprendeu:

• Como funciona o Chirp Spread Spectrum

• O papel do Spreading Factor

• Impacto da largura de banda

• Coding Rate e correção de erros

• Time on Air e escalabilidade

• Considerações práticas para AU915