【技術(shù)分享】一文讀懂LoRa調(diào)制方式
LoRa是一種基于擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案，最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)10km，廣泛應(yīng)用于各種物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景。本期文章將詳細(xì)介紹LoRa的調(diào)制方式，帶你了解其超遠(yuǎn)距離通信的秘訣。
??擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)眾所周知，無線通信基礎(chǔ)的調(diào)制方式包括模擬調(diào)制AM、FM和PM，以及數(shù)字調(diào)制ASK、FSK、PSK、QAM等。LoRa是一種擴(kuò)寬頻譜的調(diào)制方式，稱為線性擴(kuò)頻調(diào)制——CSS調(diào)制（Chirp Spread Spectrum modulation）。CSS調(diào)制分為頻率上行（up-chirp）和頻率下行（down-chirp）兩種模式。使用頻率上行模式時(shí)，CSS調(diào)制信號(hào)的頻率會(huì)隨著時(shí)間的增加而升高；使用頻率下行模式時(shí)，CSS調(diào)制信號(hào)的頻率會(huì)隨著時(shí)間的增加而降低。如圖1和圖2所示，LoRa調(diào)制信號(hào)的頻率始終在f_high和f_low之間沿著某種規(guī)律周期性變化。
??調(diào)制參數(shù)LoRa擴(kuò)頻調(diào)制中有三個(gè)重要的參數(shù)：符號(hào)（Symbol）、擴(kuò)頻因子（SF）和碼片（chip）。通常一個(gè)符號(hào)包含一個(gè)或多個(gè)比特，包含的比特個(gè)數(shù)稱為擴(kuò)頻因子，能夠表示的值的數(shù)量稱為碼片數(shù)量。若SF=7，則一個(gè)符號(hào)包含7個(gè)比特，能表示2^7個(gè)值，即0~127，而且碼片數(shù)量為128。LoRa收發(fā)機(jī)經(jīng)過配置后，可劃分的范圍為64~4096碼片/符號(hào)（對(duì)應(yīng)的SF為6~12）。??擴(kuò)頻技術(shù)優(yōu)勢(shì)即使環(huán)境中的噪聲很大，LoRa收發(fā)機(jī)也能從容應(yīng)對(duì)。通過使用高擴(kuò)頻因子，LoRa發(fā)射機(jī)可將小容量數(shù)據(jù)通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。當(dāng)你通過頻譜分析儀測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些信號(hào)看上去像噪聲，但區(qū)別在于噪聲是不具有相關(guān)性的，而信號(hào)是具有相關(guān)性的。基于此特性，信號(hào)可以從噪聲中被解調(diào)出來。擴(kuò)頻因子越高，越多數(shù)據(jù)可從噪聲中提取出來。技術(shù)交流群長(zhǎng)按識(shí)別如下二維碼可加入“無線通訊技術(shù)交流群”，與志同道合的朋友交流，并有專業(yè)技術(shù)人員為您答疑解惑，如有問題可以咨詢小致微信：zlgmcu-888。
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??擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)眾所周知，無線通信基礎(chǔ)的調(diào)制方式包括模擬調(diào)制AM、FM和PM，以及數(shù)字調(diào)制ASK、FSK、PSK、QAM等。LoRa是一種擴(kuò)寬頻譜的調(diào)制方式，稱為線性擴(kuò)頻調(diào)制——CSS調(diào)制（Chirp Spread Spectrum modulation）。CSS調(diào)制分為頻率上行（up-chirp）和頻率下行（down-chirp）兩種模式。使用頻率上行模式時(shí)，CSS調(diào)制信號(hào)的頻率會(huì)隨著時(shí)間的增加而升高；使用頻率下行模式時(shí)，CSS調(diào)制信號(hào)的頻率會(huì)隨著時(shí)間的增加而降低。如圖1和圖2所示，LoRa調(diào)制信號(hào)的頻率始終在f_high和f_low之間沿著某種規(guī)律周期性變化。
圖1 CSS調(diào)制信號(hào)的時(shí)域曲線與頻率變化
圖2 LoRa調(diào)制信號(hào)實(shí)例
??調(diào)制參數(shù)LoRa擴(kuò)頻調(diào)制中有三個(gè)重要的參數(shù)：符號(hào)（Symbol）、擴(kuò)頻因子（SF）和碼片（chip）。通常一個(gè)符號(hào)包含一個(gè)或多個(gè)比特，包含的比特個(gè)數(shù)稱為擴(kuò)頻因子，能夠表示的值的數(shù)量稱為碼片數(shù)量。若SF=7，則一個(gè)符號(hào)包含7個(gè)比特，能表示2^7個(gè)值，即0~127，而且碼片數(shù)量為128。LoRa收發(fā)機(jī)經(jīng)過配置后，可劃分的范圍為64~4096碼片/符號(hào)（對(duì)應(yīng)的SF為6~12）。以頻率上行模式為例，在一個(gè)頻率上升的周期里，可變化的頻率范圍被分為2^SF個(gè)碼片。若SF=7，則一個(gè)符號(hào)包含7個(gè)比特，頻段被分為128個(gè)碼片，每個(gè)碼片之間的間隔為（f_high - f_low）/128。若該符號(hào)為1011111（十進(jìn)制值=95），則該符號(hào)的起始頻率為f_low + 95 *（f_high - f_low）/128，隨后在一個(gè)頻率變化周期內(nèi)頻率上升到f_high，然后由f_low開始再次上升回到起始頻率，如圖3所示。
圖3頻率上行模式，SF=7，LoRa調(diào)制信號(hào)的頻率變化規(guī)律
??擴(kuò)頻技術(shù)優(yōu)勢(shì)即使環(huán)境中的噪聲很大，LoRa收發(fā)機(jī)也能從容應(yīng)對(duì)。通過使用高擴(kuò)頻因子，LoRa發(fā)射機(jī)可將小容量數(shù)據(jù)通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。當(dāng)你通過頻譜分析儀測(cè)量時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些信號(hào)看上去像噪聲，但區(qū)別在于噪聲是不具有相關(guān)性的，而信號(hào)是具有相關(guān)性的。基于此特性，信號(hào)可以從噪聲中被解調(diào)出來。擴(kuò)頻因子越高，越多數(shù)據(jù)可從噪聲中提取出來。一般的GFSK接收機(jī)需要8dB的最小信噪比（SNR）才能解調(diào)信號(hào)，而LoRa接收機(jī)僅需要-20dB的最小信噪比就可以解調(diào)信號(hào)。GFSK調(diào)制和LoRa調(diào)制的解調(diào)信噪比差距為28dB。相比之下，LoRa極大程度地提高了通信范圍和距離。在戶外環(huán)境中，6dB的差距就可以實(shí)現(xiàn)2倍于原來的傳輸距離。
廣州致遠(yuǎn)電子股份有限公司推出的ZM68S系列是一款高性能低功耗的LoRa透?jìng)髂＝M，具有低功耗、遠(yuǎn)距離、小尺寸、低成本等特點(diǎn)，最大發(fā)射功率可達(dá)+22dBm，默認(rèn)通信速率下的接收靈敏度可達(dá)-125dBm。其高達(dá)147dB的鏈路預(yù)算可以輕松滿足公里級(jí)的傳輸需求，廣泛應(yīng)用于各種戶外場(chǎng)景，如無線表計(jì)、無線消防、智能測(cè)量、智慧工廠等。
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