什么是LoRa的擴(kuò)頻通信？

之前在學(xué)習(xí)藍(lán)牙的時(shí)候，我了解到了藍(lán)牙的物理層是基于2.4GHz頻段的80M帶寬內(nèi)分割出來(lái)很多個(gè)信道，把比特調(diào)制到信道的載波頻率上，進(jìn)行基本的鏈路通信，同時(shí)為了增強(qiáng)抗干擾性，藍(lán)牙還是用跳頻機(jī)制，也就是通信的雙方約定好，先在哪個(gè)信道通信，下一個(gè)時(shí)段在另一個(gè)信道上通信。

這里面涉及到一個(gè)最基本的問(wèn)題，也就是我們的比特，0或者1，是怎么調(diào)制到載波上的呢？

頻移鍵控FSK調(diào)制

BLE采用的FSK調(diào)制方式，也就是用不同的頻率表示0和1。在藍(lán)牙的一個(gè)通信信道中，小于中心頻率被稱為負(fù)頻偏，大于中心頻率被稱為正頻偏。

于是，我們使用負(fù)頻偏的信號(hào)表示0，正頻偏表示符號(hào)1。

比如我們選擇2402MHz這個(gè)信道進(jìn)行通信，負(fù)頻偏代表了比特0，正頻偏代表了比特1。則最小的頻偏約為180KHz。也即是說(shuō)，如果中心頻率選取了2402MHz，比特0意味著傳輸2401.820MHz，比特1意味著傳輸2402.180MHz。

從時(shí)域分析圖來(lái)看，就像下面這樣的波形。

以上就是頻移鍵控的調(diào)制方式，也就是把符號(hào)0 和 1分別用不同的頻率來(lái)表示。

這里得加一個(gè)器件，以便于我們?nèi)ダ斫夂竺娴?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1555839.html">擴(kuò)頻通信，在這里先提出來(lái)，這個(gè)器件就是壓控振蕩器，顧名思義，就是使用電壓來(lái)控制震蕩頻率。

如果應(yīng)用在我們上面的FSK中，其實(shí)就是一些固定的電壓點(diǎn)對(duì)應(yīng)著每個(gè)信道上面的0 和 1。只要經(jīng)過(guò)壓控振蕩器，就變成不同的頻率了。

什么是擴(kuò)頻通信呢？

LoRa的調(diào)制與解調(diào)也就是如何在物理波形和比特?cái)?shù)據(jù)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

LoRa 使用 CSS （Chirp Spread Spectrum）線性擴(kuò)頻調(diào)制，頻率線性掃過(guò)整個(gè)帶寬，因此抗干擾極強(qiáng)，對(duì)多徑和多普勒效應(yīng)的抵抗也很強(qiáng)。

LoRa的基本通信單元是linear chirp，也即頻率隨時(shí)間線性增加（或減?。┑男盘?hào)。

我們將頻率隨著時(shí)間線性增加的chirp符號(hào)叫做upchirp，將頻率隨著時(shí)間線性減小的chirp符號(hào)叫做downchirp。

如下兩圖分別從時(shí)域波形和時(shí)頻域展示了一個(gè)upchirp的圖像：

上面的圖片展示的波形是一個(gè)頻率從小變大的過(guò)程。如果在壓控振蕩器輸入來(lái)測(cè)量，那就是從低到高的一個(gè)線性變化的電壓。在轉(zhuǎn)換到頻域中觀察就是下圖這樣的一條斜線。

我們知道了線性擴(kuò)頻就是一個(gè)線性遞增的頻率，那么回到最初的問(wèn)題，符號(hào) 0 和 1是怎么來(lái)表示的呢？

LoRa的做法是通過(guò)在頻域循環(huán)平移chirp進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼，不同的起始頻率代表不同的數(shù)據(jù)。

如下圖所示，在帶寬B內(nèi)四等分標(biāo)定四個(gè)起始頻率，我們可以得到4種類型的符號(hào)，分別表示00，01，10，11。

我們將圖(a)所示從最低頻率掃頻到最高頻率的chirp符號(hào)稱為basic upchirp。所以在接收端，只需要將這個(gè)起始頻率計(jì)算出來(lái)，就可以計(jì)算出每一個(gè)chirp對(duì)應(yīng)的比特?cái)?shù)據(jù)。

這里，LoRa規(guī)定了一個(gè)參數(shù)SF（Spreading Factor，擴(kuò)頻因子）

如上圖，當(dāng)SF = 2時(shí)，我們獲得4個(gè)起始頻率，編碼為00，01，10，11。那么如果SF = 3，就可以得到8個(gè)起始頻率了。

因此，SF越大，我們?cè)谡麄€(gè)帶寬上分出的起始頻率點(diǎn)就越多，當(dāng)然也不能無(wú)限多，頻率的分辨率會(huì)不夠。

如果我們固定的選擇一個(gè)帶寬BW，那么SF越大，也就意味著T越大，也就是發(fā)送一個(gè)符號(hào)的時(shí)間越長(zhǎng)。因此SF用于調(diào)節(jié)傳輸速率和接收靈敏度，越大的SF速率越小但支持更遠(yuǎn)的通訊距離。

如果我們?cè)陬l率上監(jiān)測(cè)的話，可以看到一段LORA的頻率如下：

用聲音來(lái)打個(gè)比方，藍(lán)牙的調(diào)制方式就是把不同的聲音定義成 0 和 1 來(lái)進(jìn)行傳遞。而LoRa的擴(kuò)頻就相當(dāng)于我們通過(guò)唱一首歌來(lái)通信，把符號(hào)分成多個(gè)，把從不同的段開(kāi)始唱來(lái)表示不同的符號(hào)。