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　　FSK

　　FSK全稱為Frequency Shift Keying。LoRaWAN協(xié)議也在某些頻段寫明除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，接收端用簡單的濾波器即可完成解調(diào)。

　　圖4 FSK時(shí)域波形

　　對于發(fā)送端，簡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(hào)的1與0控制輸出即可完成FSK調(diào)制。但這樣的實(shí)現(xiàn)中，兩個(gè)頻率源的相位通常不同步，而導(dǎo)致0與1切換時(shí)產(chǎn)生不連續(xù)，最終對接收器來講會(huì)產(chǎn)生額外的干擾。實(shí)際的FSK系統(tǒng)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(hào)進(jìn)入調(diào)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(kuò)頻的全新的調(diào)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(diào)制方式技術(shù)上的名稱應(yīng)該為FM(Chirp)。從實(shí)現(xiàn)上來講，LoRa本身的核心技術(shù)是使用分?jǐn)?shù)PLL生成穩(wěn)定的Chirp信號(hào)。

　　先看一看Chirp這個(gè)信號(hào)，(注：這個(gè)詞來源于同名鳥類的叫聲的信號(hào)特點(diǎn)，對于信號(hào)處理來講也可稱作掃頻)。Chirp的特點(diǎn)是信號(hào)的頻率以一定的規(guī)律變化，而FSK的信號(hào)只會(huì)在兩個(gè)頻點(diǎn)切換。

　　圖5 線性Chirp信號(hào)時(shí)域圖

　　而頻譜圖上該信號(hào)是一條線:

　　圖6 線性Chirp信號(hào)頻譜圖

　　當(dāng)然Chirp信號(hào)的頻率不僅僅只是線性變化，還有其他很多種變化，如指數(shù)Chirp，對數(shù)Chirp等等。LoRa調(diào)制的核心思想是使用這種頻率的變化的模式來調(diào)制基帶信號(hào)，Chirp變化的速率也就是所謂的”Chirpness”，在Semtech的數(shù)據(jù)手冊和文檔中稱之為擴(kuò)頻因子(Spread Factor)。擴(kuò)頻因子越大，傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)。代價(jià)就是數(shù)據(jù)速率，因?yàn)橐酶L的chip來表示一個(gè)symbol。

　　圖7 LoRa的時(shí)域信號(hào)

　　圖8 LoRa的頻域信號(hào)

　　概括來講，基于掃頻技術(shù)的LoRa調(diào)制相對于傳統(tǒng)的調(diào)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(shè)計(jì)復(fù)雜度。掃頻的頻率帶寬等于信號(hào)的頻域帶寬。

　　2.掃頻擴(kuò)頻產(chǎn)生了處理增益(ProcessingGain)，使得接收端可以解調(diào)出比噪音的幅度更低的信號(hào)。這樣在相同的發(fā)射功率下，傳輸?shù)木嚯x大大增加。

　　處理增益PG就是擴(kuò)頻后的帶寬與擴(kuò)頻前的帶寬的比值。如何理解處理增益，這里使用一個(gè)比喻來說明。某時(shí)刻一個(gè)收音機(jī)因?yàn)樾盘?hào)不好，播放的都是類似于噪音的音頻，假設(shè)你用錄音設(shè)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(guī)律)。那么如果收音機(jī)在后面的播放中又播放了與Audio0類似的音頻，就可以說接收到了Audio0。實(shí)際意義是當(dāng)某信號(hào)低于噪音時(shí)，接收器只有撇開所有噪音，使用一個(gè)專門的濾波器來尋找此信號(hào)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(wěn)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(kuò)頻因子對應(yīng)的解調(diào)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(diào)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(dá)到或超過FSK的鏈路預(yù)算。

　　3.高魯棒性

　　因?yàn)椴捎昧藬U(kuò)頻調(diào)制，單個(gè)LoRa符號(hào)比一般的跳頻通信的短突發(fā)時(shí)段要長，故此對于AM脈沖干擾抑制較強(qiáng)，典型的信道外選擇性可達(dá)90dB，信道內(nèi)排斥度可達(dá)20dB。對于FSK，這兩個(gè)參數(shù)分別為大約50dB與-6dB。

　　4.抗多徑/衰落

　　因?yàn)閱蝹€(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(yīng)

　　多普勒效應(yīng)造成的頻移只會(huì)在LoRa的基帶信號(hào)帶來一個(gè)基本上可以忽略不計(jì)的時(shí)間軸平移。

　　6.大網(wǎng)絡(luò)容量

　　從單個(gè)Spread Factor來計(jì)，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信道來調(diào)制，因?yàn)樗械腟F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