LoRa調(diào)制技術(shù)究竟給我們帶來了哪些突破

LoRa是一種專用于無線電擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)的技術(shù)，它與其他如FSK（頻移鍵控）、GMSK（高斯最小頻移鍵控）、BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）及其派生的調(diào)制方案形成明顯的對比。

它融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號(hào)處理和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，擁有前所未有的性能。此前，只有一些軍事通訊系統(tǒng)中才會(huì)融合這些技術(shù)，而隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信領(lǐng)域的局面發(fā)生了徹底的改變。

圖1：支持LoRa調(diào)制技術(shù)的無線產(chǎn)品

前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)是給待傳輸數(shù)據(jù)序列中增加了一些冗余信息，這樣，數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)程中注入的錯(cuò)誤碼元在接收端就會(huì)被及時(shí)糾正。這一技術(shù)減少了以往創(chuàng)建“自修復(fù)”數(shù)據(jù)包來重發(fā)的需求，且在解決由多徑衰落引發(fā)的突發(fā)性誤碼中表現(xiàn)良好。

圖2：針對復(fù)雜的環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)能力

一旦數(shù)據(jù)包分組建立起來且注入前向糾錯(cuò)編碼以保障可靠性，這些數(shù)據(jù)包將被送到數(shù)字?jǐn)U頻調(diào)制器中。這一調(diào)制器將分組數(shù)據(jù)包中每一比特饋入一個(gè)“展擴(kuò)器”中，將每一比特時(shí)間劃分為眾多碼片。LoRa調(diào)制解調(diào)器經(jīng)配置后，可劃分的范圍為64-4096碼片/比特。AngelBlocks配置調(diào)制解調(diào)器可使用4096碼片/比特中的最高擴(kuò)頻因子（12）。相對而言，ZigBee僅能劃分的范圍為10-12碼片/比特。

圖3：擴(kuò)頻信號(hào)在噪聲中傳輸

通過使用高擴(kuò)頻因子，LoRa技術(shù)可將小容量數(shù)據(jù)通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。實(shí)際上，當(dāng)你通過頻譜分析儀測量時(shí)，這些數(shù)據(jù)看上去像噪音，但區(qū)別在于噪音是不相關(guān)的，而數(shù)據(jù)具有相關(guān)性，基于此，數(shù)據(jù)實(shí)際上可以從噪音中被提取出來。其實(shí)，擴(kuò)頻因子越高，越多數(shù)據(jù)可從噪音中提取出來。

圖4：調(diào)整擴(kuò)頻因子可以獲得更遠(yuǎn)的通信距離

在一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)良好的GFSK接收端，8dB的最小信噪比（SNR）需要可靠地解調(diào)信號(hào)，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解調(diào)一個(gè)信號(hào)，其信噪比為-20dB，GFSK方式與這一結(jié)果差距為28dB，這相當(dāng)于范圍和距離擴(kuò)大了很多。在戶外環(huán)境下，6dB的差距就可以實(shí)現(xiàn)2倍于原來的傳輸距離。

為了有效地對比不同技術(shù)之間傳輸范圍的表現(xiàn)，我們使用一個(gè)叫做“鏈路預(yù)算”的定量指標(biāo)。鏈路預(yù)算包括影響接收端信號(hào)強(qiáng)度的每一變量，在其簡化體系中包括發(fā)射功率加上接收端靈敏度。

圖5：靈活可調(diào)整的功率等級(jí)

AngelBlocks的發(fā)射功率為100mW（20dBm），接收端靈敏度為-129dBm，總的鏈路預(yù)算為149dB。比較而言，擁有靈敏度-110dBm（這已是其極好的數(shù)據(jù)）的GFSK無線技術(shù)，需要5W的功率（37dBm）才能達(dá)到相同的鏈路預(yù)算值。在實(shí)踐中，大多GFSK無線技術(shù)接收端靈敏度可達(dá)到-103dBm，在此狀況下，發(fā)射端發(fā)射頻率必須為46dBm或者大約36W，才能達(dá)到與LoRa類似的鏈路預(yù)算值。

因此，使用LoRa技術(shù)我們能夠以低發(fā)射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離，這種低功耗廣域技術(shù)正是我們所需的。