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[導(dǎo)讀] 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

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,采用配置AngelBlocks的方式,LoRa可解調(diào)一個(gè)信號,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

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。

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