一文读懂LoRa调制方式
一文读懂LoRa调制方式
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。本文将详细介绍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0127，而且码片数量为128。LoRa收发机经过配置后，可划分的范围为644096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。