LoRa是一种基于扩频调制技术的超远距离无线传输方案,最远
通信距离可达10km,广泛应用于各种
物联网场景。本期文章将详细介绍LoRa的调制方式,带你了解其超远距离通信的秘诀。
扩频调制技术众所周知,无线通信基础的调制方式包括模拟调制AM、FM和PM,以及数字调制ASK、FSK、PSK、QAM等。LoRa是一种扩宽频谱的调制方式,称为线性扩频调制——CSS调制(Chirp Spread Spectrum modulation)。CSS调制分为频率上行(up-chirp)和频率下行(down-chirp)两种模式。使用频率上行模式时,CSS调制信号的频率会随着时间的增加而升高;使用频率下行模式时,CSS调制信号的频率会随着时间的增加而降低。如图1和图2所示,LoRa调制信号的频率始终在f_high和f_low之间沿着某种规律周期性变化。
图1 CSS调制信号的时域曲线与频率变化
图2 LoRa调制信号实例
调制参数LoRa扩频调制中有三个重要的参数:符号(Symbol)、扩频因子(SF)和码片(chip)。通常一个符号包含一个或多个比特,包含的比特个数称为扩频因子,能够表示的值的数量称为码片数量。若SF=7,则一个符号包含7个比特,能表示2^7个值,即0~127,而且码片数量为128。LoRa收发机经过配置后,可划分的范围为64~4096码片/符号(对应的SF为6~12)。
以频率上行模式为例,在一个频率上升的周期里,可变化的频率范围被分为2^SF个码片。若SF=7,则一个符号包含7个比特,频段被分为128个码片,每个码片之间的间隔为(f_high - f_low)/128。若该符号为1011111(十进制值=95),则该符号的起始频率为f_low + 95 *(f_high - f_low)/128,随后在一个频率变化周期内频率上升到f_high,然后由f_low开始再次上升回到起始频率,如图3所示。
图3频率上行模式,SF=7,LoRa调制信号的频率变化规律
扩频技术优势即使环境中的噪声很大,LoRa收发机也能从容应对。通过使用高扩频因子,LoRa发射机可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。当你通过频谱分析仪测量时,发现这些信号看上去像噪声,但区别在于噪声是不具有相关性的,而信号是具有相关性的。基于此特性,信号可以从噪声中被解调出来。扩频因子越高,越多数据可从噪声中提取出来。
一般的GFSK接收机需要8dB的最小信噪比(SNR)才能解调信号,而LoRa接收机仅需要-20dB的最小信噪比就可以解调信号。GFSK调制和LoRa调制的解调信噪比差距为28dB。相比之下,LoRa极大程度地提高了通信范围和距离。在户外环境中,6dB的差距就可以实现2倍于原来的传输距离。
广州致远电子股份有限公司推出的ZM68S系列是一款高性能低功耗的LoRa透传模组,具有低功耗、远距离、小尺寸、低成本等特点,最大发射功率可达+22dBm,默认通信速率下的接收灵敏度可达-125dBm。其高达147dB的链路预算可以轻松满足公里级的传输需求,广泛应用于各种户外场景,如无线表计、无线消防、智能测量、智慧工厂等。
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原文标题:【技术分享】一文读懂LoRa调制方式
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