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　　FSK

　　FSK全稱(chēng)為Frequency Shift Keying。LoRaWAN協(xié)議也在某些頻段寫(xiě)明除LoRa之外也支持(G)FSK。FSK的核心思想是用兩種頻率的載波分別表示1與0。只要兩種頻率相差足夠大，接收端用簡(jiǎn)單的濾波器即可完成解調。

　　圖4 FSK時(shí)域波形

　　對于發(fā)送端，簡(jiǎn)單的做法就是做兩個(gè)頻率發(fā)生器，一個(gè)頻率在Fmark，另一個(gè)頻率在Fspace。用基帶信號的1與0控制輸出即可完成FSK調制。但這樣的實(shí)現中，兩個(gè)頻率源的相位通常不同步，而導致0與1切換時(shí)產(chǎn)生不連續，最終對接收器來(lái)講會(huì )產(chǎn)生額外的干擾。實(shí)際的FSK系統通常只使用一個(gè)頻率源，在0與1切換時(shí)控制頻率源發(fā)生偏移。

　　GFSK是基帶信號進(jìn)入調制前加一個(gè)高斯(Gaussian)窗口，使得頻率的偏移更加平滑。目的是減少邊帶(Sideband)頻率的功率，以降低對相鄰頻段的干擾。代價(jià)是增加了碼間干擾。

　　CSS-Lora的核心

　　LoRa是一種利用Chirp進(jìn)行擴頻的全新的調制方式，是所有基于LoRa技術(shù)的組網(wǎng)技術(shù)(包括LoRaWAN，aiCast等等)的最重要組成部分。這種調制方式技術(shù)上的名稱(chēng)應該為FM(Chirp)。從實(shí)現上來(lái)講，LoRa本身的核心技術(shù)是使用分數PLL生成穩定的Chirp信號。

　　先看一看Chirp這個(gè)信號，(注：這個(gè)詞來(lái)源于同名鳥(niǎo)類(lèi)的叫聲的信號特點(diǎn)，對于信號處理來(lái)講也可稱(chēng)作掃頻)。Chirp的特點(diǎn)是信號的頻率以一定的規律變化，而FSK的信號只會(huì )在兩個(gè)頻點(diǎn)切換。

　　圖5 線(xiàn)性Chirp信號時(shí)域圖

　　而頻譜圖上該信號是一條線(xiàn):

　　圖6 線(xiàn)性Chirp信號頻譜圖

　　當然Chirp信號的頻率不僅僅只是線(xiàn)性變化，還有其他很多種變化，如指數Chirp，對數Chirp等等。LoRa調制的核心思想是使用這種頻率的變化的模式來(lái)調制基帶信號，Chirp變化的速率也就是所謂的”Chirpness”，在Semtech的數據手冊和文檔中稱(chēng)之為擴頻因子(Spread Factor)。擴頻因子越大，傳輸的距離越遠。代價(jià)就是數據速率，因為要用更長(cháng)的chip來(lái)表示一個(gè)symbol。

　　圖7 LoRa的時(shí)域信號

　　圖8 LoRa的頻域信號

　　概括來(lái)講，基于掃頻技術(shù)的LoRa調制相對于傳統的調制方式有幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn):

　　1.在接收端與發(fā)送端，時(shí)間/頻域的偏移是相等的。這樣大大降低了接收器的設計復雜度。掃頻的頻率帶寬等于信號的頻域帶寬。

　　2.掃頻擴頻產(chǎn)生了處理增益(ProcessingGain)，使得接收端可以解調出比噪音的幅度更低的信號。這樣在相同的發(fā)射功率下，傳輸的距離大大增加。

　　處理增益PG就是擴頻后的帶寬與擴頻前的帶寬的比值。如何理解處理增益，這里使用一個(gè)比喻來(lái)說(shuō)明。某時(shí)刻一個(gè)收音機因為信號不好，播放的都是類(lèi)似于噪音的音頻，假設你用錄音設備在T0時(shí)刻錄制了一段100ms的音頻定義為Audio0(并且記憶Audio0的規律)。那么如果收音機在后面的播放中又播放了與Audio0類(lèi)似的音頻，就可以說(shuō)接收到了Audio0。實(shí)際意義是當某信號低于噪音時(shí)，接收器只有撇開(kāi)所有噪音，使用一個(gè)專(zhuān)門(mén)的濾波器來(lái)尋找此信號時(shí)才能找到。這一點(diǎn)是LoRa的接收靈敏度性能的關(guān)鍵所在，比如FSK需要信噪比(SNR)在10dB左右才能穩定接收，而LoRa對信噪比要求則很低:

　　圖9 LoRa收發(fā)芯片SX127X的不同擴頻因子對應的解調信噪比

　　1.帶寬可伸縮

　　可用于窄帶也可用于寬帶。

　　2.包絡(luò )恒定/低功耗

　　與FSK一樣是包絡(luò )恒定的調制方式，所以直接使用已有的FSK的PA，而由于PG(處理增益)，能在更低的功耗達到或超過(guò)FSK的鏈路預算。

　　3.高魯棒性

　　因為采用了擴頻調制，單個(gè)LoRa符號比一般的跳頻通信的短突發(fā)時(shí)段要長(cháng)，故此對于A(yíng)M脈沖干擾抑制較強，典型的信道外選擇性可達90dB，信道內排斥度可達20dB。對于FSK，這兩個(gè)參數分別為大約50dB與-6dB。

　　4.抗多徑/衰落

　　因為單個(gè)掃頻脈沖的帶寬相對較大，所以基本不受多徑/衰落影響。

　　5.抗多普勒效應

　　多普勒效應造成的頻移只會(huì )在LoRa的基帶信號帶來(lái)一個(gè)基本上可以忽略不計的時(shí)間軸平移。

　　6.大網(wǎng)絡(luò )容量

　　從單個(gè)Spread Factor來(lái)計，LoRa的容量小于FSK。但是由于多個(gè)Spread Factor的信道是正交的，所以整個(gè)LoRa的網(wǎng)絡(luò )容量等于所有Spread Factor信道的容量相加。比如對于一個(gè)125Khz的帶寬：

　　如果劃分給12個(gè)窄帶FSK信道，每個(gè)信道的等效波特率為1200，則:

　　CapacityFSK = 12 * 1200 =14400 bps

　　如果同樣的帶寬分給單個(gè)的LoRa信道來(lái)調制，因為所有的SF之間正交，所以：

　　CapacityLoRa= 1 *(SF12 + SF11 + SF10 + SF9 + SF8 + SF7 + SF6)

　　=1 * (293 + 537 + 976 + 1757 + 3125 + 5468 + 9375)

　　= 21531 bps