LoRa調(diào)制總結(jié)

1、目錄1.Chirp信號22.LoRa調(diào)制33 LoRa調(diào)制的具體方案53.1 數(shù)據(jù)速率53.2調(diào)制63.3擴頻調(diào)制的數(shù)學表示8LoRa調(diào)制是基于這個調(diào)制方案，但是具體的實現(xiàn)我還是有些謎。91.Chirp信號LoRa調(diào)制使用基于線性調(diào)頻擴頻調(diào)制（chirp Spread Spectrum,CSS）方案的調(diào)制。chirp信號是sine信號，其頻率隨著時間線性增加(upchirp)或隨著時間線性減小(downchirp)。即chirp=cos(x(t);x(t)為時間t的二次函數(shù)。如下式所示s ( t ) = a(t) cos 𝜽(t)a(t)是s(t)的包絡，在（0,T）范圍之外的

2、取值為零。這樣，信號掃過的帶寬B=|u|*T s(t)=a(t)cos(2*𝝅*fc*t+ 𝝅*u*t2+)這樣，定義信號掃過的帶寬BW=|u|*TChirp（upchirp）信號如下所示：Chirp信號的頻譜Chirp信號的頻率隨時間的變化關(guān)系圖。最基礎的基于 chirp信號擴頻調(diào)制是upchirp代表1，downchirp代表0.2.LoRa調(diào)制LoRa調(diào)制信號的頻率隨時間變化的關(guān)系（以upchirp信號為例）LoRa調(diào)制中的每一個符號都可以表示為sine信號，頻率在時間周期內(nèi)變化如上圖所示，fc為中心信號掃過頻率范圍的中心頻率，頻帶范圍為fc-BW/2,f

3、c+BW/2，LoRa符號持續(xù)時間為Ts，從頻率范圍內(nèi)的某一個初始頻率開始上升，到最高頻率fc+BW/2，然后回落到最低頻率fc-BW/2,繼續(xù)開始上升，知道符號的持續(xù)時間Ts,所以在一個Ts時間內(nèi)，LoRa符號的頻率一定會掃過整個頻帶范圍。符號頻率的初始值可能為2SF,SF為傳播因子。（論文上有這樣提到，但是我感覺有點不像呀，因為SF的最大值也不過12，BW的常用帶寬是125kHz，250kHz，500kHz好像比較少用，但是一定有，信息映射會提到）。傳播因子SF定義了每一個LoRa符號里面攜帶比特的數(shù)量。因為使用了前向糾錯碼，所以信息比特速率會稍微降低一些，加上以上給出的信息，我們可以得到

4、信息比特速率計算如下：Rb=(SF/Ts)*CR，其中CR為編碼率。符號持續(xù)時間有SF和帶寬BW共同確定：Ts=2SF/BW,所以 Rb=(SF*BW/2SF)*CR,由以上式子可以看出，SF越大，符號持續(xù)時間越長，空中傳播時間越長，bite速率越小。因此，參數(shù):帶寬 BW，傳播因子SF,和編碼率CR，決定了LoRa點對點鏈路的bite速率。大的傳播因子意味著更低的bite速率，但是同時獲得了更高的敏感度(是否可以理解成持續(xù)時間長了，然后能量就大了，而接收端匹配濾波，使得能量聚集）。LoRa調(diào)制有著一個顯著的優(yōu)勢就是這種調(diào)制方式和編碼方案使得LoRa設備可以正確的接收在同一個信道兩路相互交疊傳

5、輸?shù)男盘?，只要他們的SF不一樣。同時，就算是兩路完全一樣的信號，有著相同的SF，也能夠接收信號強度更大的信號。（這是供應商聲稱，實際上怎么樣，我也不確定。）BW，SF參數(shù)的選擇以及對應的碼率，bite rate 如下表所示（在頻段863880MHz）：3 LoRa調(diào)制的具體方案Chirp擴頻調(diào)制基本上有兩種方式：二進制正交鍵控（BOK：Binary Orthogonal Keying）、和直接調(diào)制（DM：Direct Modulation）。BOK是利用不同的Chirp脈沖來表示不同的數(shù)據(jù)，如用從低到高的線性頻率變化（up-chirp）表示1，從高到低的線性頻率變化（down-chirp）表示

6、0。由于Chirp擴頻的處理增益由信號的時間帶寬積（TB）所決定，為了得到良好的增益，TB應遠大于1，從而導致通信速度不可能太高。DM是在其他方式調(diào)制（如DPSK、DQPSK等）后的信號上乘以一個Chirp信號，以達到擴頻的目的。在這種情況下，Chirp信號類似于DSSS的PN序列，這種調(diào)制方式結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，而且整個系統(tǒng)可以只用一種Chirp信號，接收處理也方便。定義的Chirp擴頻就是采用了DM的方式。（具體的方案細節(jié)，還沒有找到，我也有很大疑問）中的6.5.1 2450MHz PHY chirp spread spectrum(CSS)給出了這種調(diào)制方案，也明確表示過，LoRaWAN

7、也是采用基于CSS的專用物理層，但是具體是如何改善應用的具體細節(jié)我沒有找到。所以以下講述以ieee 802.15.4a的的調(diào)制方式為藍本3.1 數(shù)據(jù)速率CSS(2450MHz)PHY數(shù)據(jù)速率為1Mb/s,另外一種可選的速率是250kb/s.結(jié)合使用了CSS和差分正交相移鍵控，分別有8進制和64進制正交化碼，分別對應著上面兩種數(shù)據(jù)速率。3.2調(diào)制與一般的處理流程一樣，首先將輸入的二進制流分成I和Q兩個比特流，基本是按照逐位交錯分配：第一個比特輸入到I流，則第二個比特輸入到Q流。如若輸入二進制流為：010110，則I流為：001，Q流為110。 然后就是符號映射：在串并變換（S/P）處理

8、，是將輸入的I、Q兩個子流中的二進制數(shù)據(jù)以3個比特為單位（以數(shù)據(jù)速率1Mb/s為例）分別轉(zhuǎn)化為符號流（也即3bit的數(shù)據(jù)對應一個symbol）。但這樣生成的符號流并不直接用于傳輸，而是進行一次數(shù)據(jù)符號（data symbol）到雙正交碼字（bi-orthogonal codeword）的變換。采用雙正交碼字可以減少互相干擾和多徑效應的影響，在中為數(shù)據(jù)速率1Mb/s的傳輸定義了以下的符號轉(zhuǎn)化表。 在上面的例子中，做符號變換后，I流為：1 -1 1 -1；Q流為：-1 -1 1 1。接下來的就是交織處理。（但是在LoRa里面，我暫時還沒有看到交織這個流程，不知道會不會為了終端模塊的簡單，

9、省略這個步驟，但這確實是防止塊衰落的好方法。）然后，進行P/S變換，將生成的I、Q流結(jié)合在一起，生成作為QPSK編碼輸入的碼片序列（chip sequence）。上例中的I、Q流結(jié)合生成IQ信號，為：1 - j，-1 j，1+ j，-1 + j。接下來還有一個差分編碼。接下來就是與subshirp信號相乘即擴頻調(diào)制，便得到了DCSK調(diào)制信號。整個調(diào)制流程完成。這里，需要對subshirp說明一下.框圖中的CSK發(fā)生器需要周期性的產(chǎn)生以下定義的4種subchirp 序列（chirp symbols）中的其中一種；四種chirp symbols如下圖所示：獨立的chirp signal，這里稱為s

10、ubchirp，四個subchirp 級聯(lián)成一個chirp symbol。Subchirp之間，頻率不是連續(xù)的，有一定的頻率偏置，但是不影響chirp信號的頻譜，因為在這些點，subchirp信號的幅度為0.3.3擴頻調(diào)制的數(shù)學表示用數(shù)學表示擴頻調(diào)制如下:設chirp信號為：CP（n,k,m）=expj(2*pi*f(k,m) + u/2 *(k,m)*(t-T(n,k,m)(t-T(n,k,m)其中:n=0，1，2為chirp symbol流中的第n個chirp symbol 編號。m=1，2，3，4，對應上述四種chirp symbol中的第m種定義。k=0，1，2，3，為第m個chirp

11、 symbol中的第k個subchirp。f(k,m)：為第m種chirp symbol中的第k個subchirp的中心頻率。T(n,k,m):為chirp symbol流中的第n個符號，屬于第m種的第k個subchirp的中心頻率點的時間。所以有T(n,k,m)=（k+1/2）*Tsub +n*TchirpTsub為一個subchirp持續(xù)時間，Tchirp為一個chirpsymbol持續(xù)時間。(k,m)：指示該個subchirp周期內(nèi)的頻率變化的方向，取值為+1，-1u是常數(shù)，在802.15.4a中，u=2*pi*7.3158*1012 rad/s2；其實就是頻率斜率的絕對值。T：時間 取值范圍為T(n,k,m)-1/2*Tsub, T(n,k,m)+1/2*Tsub 在直接調(diào)制中，就是用前面生成的相位符號與預先定義好的chirp信號相