技术分享无线通信LoRa扩频技术

Posted 2021-06-02 AshiningFAE

LoRa 是诸多LPWAN通信技术中的一种， 是一种基于扩频的调制方式，通过扩频把信号扩展到带宽较宽的噪声中，获得扩频增益。
LoRa（Long Range）扩频代表性的扩频方式有两种：
直接序列扩频（简称直序扩频，DSSS）；
跳频（FHSS）。

LoRa技术是直接序列扩频的衍生技术。

扩频概念

扩频通信（SSC），即扩展频谱通信技术（Spread Spectrum Communication），它的基本特点是其传输信息所用信号的带宽,远大于信息本身的带宽。
例如，传输一个64Kbps 的数据流，其基带带宽只有64KHz 左右，但用扩频技术传送时，它所占据的信道带宽可以被扩展到5MHz，10MHz，甚至更大。与此同时，发射到空间的无线电功率谱（单位带宽内具有的功率），也将大大的降低。
**常规数字通信原理：**是使用与数据速率相适应的尽可能小的带宽。这是因为带宽数是有限的，而且有很多的用户要分享。

**扩频通信的原理：**是尽可能使用最大带宽数,同样的能量在一个大的带宽上传播。增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低。扩频通信的基本思想和理论依据就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处。扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接收端解扩还原了信息，这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。
除此以外，扩频通信还具有如下特征:
1.是一种数字传输方式；
2.带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息进行调制实现的；
3.在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。

扩频实现

频谱的扩展是用数字化方式实现的。在一个二进制码位的时段内用一组新的多位长的码型予以置换，新码型的码速率远远高出原码的码速率，由傅立叶分析可知新码型的带宽远远高出原码的带宽，从而将信号的带宽进行了扩展。这些新的码型也叫伪随机（PN）码，码位越长系统性能越高。通常，商用扩频系统PN 码码长应不低于12 位，一般取32 位，军用系统可达千位。
目前常见的码型有以下三种：
1.M 序列，即最长线性伪随机系列；
2.GOLD 序列；
3.WALSH 函数正交码。

传输速率和距离
无线收发机中广泛应用的调制方式FSK/GFSK，如果要进一步减小FSK系统的接收机带宽，唯一可行的办法就是提高参考晶体的精确度，但温补晶振的价钱将是普通晶体的三倍。与FSK 系统相比，使用同样低成本普通晶体时，LoRa扩频方式在灵敏度上改善了30dB，理论上相当于增加了5 倍的传输距离。
在等同的数据速率条件下，商用LoRa传输距离与穿透能力相比于传统FSK,GFSK 等有0.5-0.8 倍的提升。像泽耀公司的LoRa模块，强力抗干扰、传输距离与穿透能力比传统的FSK提升1倍。

LoRa扩频的优势

1.抗干扰能力强，对同频干扰及各种噪声具有极强的抑制能力。减少误码率，即信噪比。
2.发射功率密度低，不易对其他设备造成干扰。
3.保密性高，被截获的可能性极低。
4.具有极好的抗多径衰落性能。