一文讀懂LoRa調制方式

LoRa是一種基于擴頻調制技術的超遠距離無線傳輸方案，最遠通信距離可達10km，廣泛應用于各種物聯(lián)網場景。本期文章將詳細介紹LoRa的調制方式，帶你了解其超遠距離通信的秘訣。

? 擴頻調制技術

眾所周知，無線通信基礎的調制方式包括模擬調制AM、FM和PM，以及數字調制ASK、FSK、PSK、QAM等。LoRa是一種擴寬頻譜的調制方式，稱為線性擴頻調制——CSS調制（Chirp Spread Spectrum modulation）。

CSS調制分為頻率上行（up-chirp）和頻率下行（down-chirp）兩種模式。使用頻率上行模式時，CSS調制信號的頻率會隨著時間的增加而升高；使用頻率下行模式時，CSS調制信號的頻率會隨著時間的增加而降低。如圖1和圖2所示，LoRa調制信號的頻率始終在f_high和f_low之間沿著某種規(guī)律周期性變化。

圖1 CSS調制信號的時域曲線與頻率變化

圖2 LoRa調制信號實例

? 調制參數

LoRa擴頻調制中有三個重要的參數：符號（Symbol）、擴頻因子（SF）和碼片（chip）。通常一個符號包含一個或多個比特，包含的比特個數稱為擴頻因子，能夠表示的值的數量稱為碼片數量。若SF=7，則一個符號包含7個比特，能表示2^7個值，即0~127，而且碼片數量為128。LoRa收發(fā)機經過配置后，可劃分的范圍為64~4096碼片/符號（對應的SF為6~12）。

以頻率上行模式為例，在一個頻率上升的周期里，可變化的頻率范圍被分為2^SF個碼片。若SF=7，則一個符號包含7個比特，頻段被分為128個碼片，每個碼片之間的間隔為（f_high - f_low）/128。若該符號為1011111（十進制值=95），則該符號的起始頻率為f_low + 95 *（f_high - f_low）/128，隨后在一個頻率變化周期內頻率上升到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調制信號的頻率變化規(guī)律

? 擴頻技術優(yōu)勢

即使環(huán)境中的噪聲很大，LoRa收發(fā)機也能從容應對。通過使用高擴頻因子，LoRa發(fā)射機可將小容量數據通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。當你通過頻譜分析儀測量時，發(fā)現這些信號看上去像噪聲，但區(qū)別在于噪聲是不具有相關性的，而信號是具有相關性的?；诖颂匦裕盘柨梢詮脑肼曋斜唤庹{出來。擴頻因子越高，越多數據可從噪聲中提取出來。

一般的GFSK接收機需要8dB的最小信噪比（SNR）才能解調信號，而LoRa接收機僅需要-20dB的最小信噪比就可以解調信號。GFSK調制和LoRa調制的解調信噪比差距為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的差距就可以實現2倍于原來的傳輸距離。

廣州致遠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透傳模組，具有低功耗、遠距離、小尺寸、低成本等特點，最大發(fā)射功率可達+22dBm，默認通信速率下的接收靈敏度可達-125dBm。其高達147dB的鏈路預算可以輕松滿足公里級的傳輸需求，廣泛應用于各種戶外場景，如無線表計、無線消防、智能測量、智慧工廠等。