LoRa調(diào)制總結(jié)

1、目錄1.Chirp信號(hào)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(kuò)頻調(diào)制的數(shù)學(xué)表示8LoRa調(diào)制是基于這個(gè)調(diào)制方案，但是具體的實(shí)現(xiàn)我還是有些謎。91.Chirp信號(hào)LoRa調(diào)制使用基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制（chirp Spread Spectrum,CSS）方案的調(diào)制。chirp信號(hào)是sine信號(hào)，其頻率隨著時(shí)間線性增加(upchirp)或隨著時(shí)間線性減小(downchirp)。即chirp=cos(x(t);x(t)為時(shí)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(luò)，在（0,T）范圍之外的

2、取值為零。這樣，信號(hào)掃過(guò)的帶寬B=|u|*T s(t)=a(t)cos(2*𝝅*fc*t+ 𝝅*u*t2+)這樣，定義信號(hào)掃過(guò)的帶寬BW=|u|*TChirp（upchirp）信號(hào)如下所示：Chirp信號(hào)的頻譜Chirp信號(hào)的頻率隨時(shí)間的變化關(guān)系圖。最基礎(chǔ)的基于 chirp信號(hào)擴(kuò)頻調(diào)制是upchirp代表1，downchirp代表0.2.LoRa調(diào)制LoRa調(diào)制信號(hào)的頻率隨時(shí)間變化的關(guān)系（以u(píng)pchirp信號(hào)為例）LoRa調(diào)制中的每一個(gè)符號(hào)都可以表示為sine信號(hào)，頻率在時(shí)間周期內(nèi)變化如上圖所示，fc為中心信號(hào)掃過(guò)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(hào)持續(xù)時(shí)間為T(mén)s，從頻率范圍內(nèi)的某一個(gè)初始頻率開(kāi)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(kāi)始上升，知道符號(hào)的持續(xù)時(shí)間Ts,所以在一個(gè)Ts時(shí)間內(nèi)，LoRa符號(hào)的頻率一定會(huì)掃過(guò)整個(gè)頻帶范圍。符號(hào)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(jué)有點(diǎn)不像呀，因?yàn)镾F的最大值也不過(guò)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(huì)提到）。傳播因子SF定義了每一個(gè)LoRa符號(hào)里面攜帶比特的數(shù)量。因?yàn)槭褂昧饲跋蚣m錯(cuò)碼，所以信息比特速率會(huì)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(jì)算如下：Rb=(SF/Ts)*CR，其中CR為編碼率。符號(hào)持續(xù)時(shí)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(hào)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，空中傳播時(shí)間越長(zhǎng)，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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shí)獲得了更高的敏感度(是否可以理解成持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)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(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)就是這種調(diào)制方式和編碼方案使得LoRa設(shè)備可以正確的接收在同一個(gè)信道兩路相互交疊傳

5、輸?shù)男盘?hào)，只要他們的SF不一樣。同時(shí)，就算是兩路完全一樣的信號(hào)，有著相同的SF，也能夠接收信號(hào)強(qiáng)度更大的信號(hào)。（這是供應(yīng)商聲稱(chēng)，實(shí)際上怎么樣，我也不確定。）BW，SF參數(shù)的選擇以及對(duì)應(yīng)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(kuò)頻調(diào)制基本上有兩種方式：二進(jìn)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(lái)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(kuò)頻的處理增益由信號(hào)的時(shí)間帶寬積（TB）所決定，為了得到良好的增益，TB應(yīng)遠(yuǎn)大于1，從而導(dǎo)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(hào)上乘以一個(gè)Chirp信號(hào)，以達(dá)到擴(kuò)頻的目的。在這種情況下，Chirp信號(hào)類(lèi)似于DSSS的PN序列，這種調(diào)制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，而且整個(gè)系統(tǒng)可以只用一種Chirp信號(hào)，接收處理也方便。802.15.4a定義的Chirp擴(kuò)頻就是采用了DM的方式。（具體的方案細(xì)節(jié)，還沒(méi)有找到，我也有很大疑問(wèn)）在ieee 802.15.4a中的6.5.1 2450MHz PHY chirp spread spectrum(CSS)

7、給出了這種調(diào)制方案，也明確表示過(guò)，LoRaWAN也是采用基于CSS的專(zhuān)用物理層，但是具體是如何改善應(yīng)用的具體細(xì)節(jié)我沒(méi)有找到。所以以下講述以ieee 802.15.4a的的調(diào)制方式為藍(lán)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(jìn)制和64進(jìn)制正交化碼，分別對(duì)應(yīng)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(jìn)制流分成I和Q兩個(gè)比特流，基本是按照逐位交錯(cuò)分配：第一個(gè)比特輸入到I流，則第二個(gè)比特輸入到Q流。如若輸入二進(jìn)制流為：010110，則I流為：001，Q流為110。

8、60;然后就是符號(hào)映射：在串并變換（S/P）處理，是將輸入的I、Q兩個(gè)子流中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)以3個(gè)比特為單位（以數(shù)據(jù)速率1Mb/s為例）分別轉(zhuǎn)化為符號(hào)流（也即3bit的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)symbol）。但這樣生成的符號(hào)流并不直接用于傳輸，而是進(jìn)行一次數(shù)據(jù)符號(hào)（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(yīng)的影響，在802.15.4a中為數(shù)據(jù)速率1Mb/s的傳輸定義了以下的符號(hào)轉(zhuǎn)化表。 在上面的例子中，做符號(hào)變換后，I流為：1 -1 1 -1；Q流為：-1 -1 1 1。接下來(lái)的就是交織處理。（但是在LoRa里

9、面，我暫時(shí)還沒(méi)有看到交織這個(gè)流程，不知道會(huì)不會(huì)為了終端模塊的簡(jiǎn)單，省略這個(gè)步驟，但這確實(shí)是防止塊衰落的好方法。）然后，進(jìn)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(hào)，為：1 - j，-1 j，1+ j，-1 + j。接下來(lái)還有一個(gè)差分編碼。接下來(lái)就是與subshirp信號(hào)相乘即擴(kuò)頻調(diào)制，便得到了DCSK調(diào)制信號(hào)。整個(gè)調(diào)制流程完成。這里，需要對(duì)subshirp說(shuō)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 s

10、ymbols如下圖所示：獨(dú)立的chirp signal，這里稱(chēng)為subchirp，四個(gè)subchirp 級(jí)聯(lián)成一個(gè)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(hào)的頻譜，因?yàn)樵谶@些點(diǎn)，subchirp信號(hào)的幅度為0.3.3擴(kuò)頻調(diào)制的數(shù)學(xué)表示用數(shù)學(xué)表示擴(kuò)頻調(diào)制如下:設(shè)chirp信號(hào)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(gè)chirp symbol 編號(hào)。m=1，2，3，4，對(duì)應(yīng)上述四種chirp

11、symbol中的第m種定義。k=0，1，2，3，為第m個(gè)chirp symbol中的第k個(gè)subchirp。f(k,m)：為第m種chirp symbol中的第k個(gè)subchirp的中心頻率。T(n,k,m):為chirp symbol流中的第n個(gè)符號(hào)，屬于第m種的第k個(gè)subchirp的中心頻率點(diǎn)的時(shí)間。所以有T(n,k,m)=（k+1/2）*Tsub +n*TchirpTsub為一個(gè)subchirp持續(xù)時(shí)間，Tchirp為一個(gè)chirpsymbol持續(xù)時(shí)間。(k,m)：指示該個(gè)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(shí)就是頻率斜率的絕對(duì)值。T：時(shí)間 取值范圍為T(mén)(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(hào)與預(yù)先定義好的chirp信