什么是LoRa的扩频通信？

谷谷小师妹

之前在学习蓝牙的时候，我了解到了蓝牙的物理层是基于2.4GHz频段的80M带宽内分割出来很多个信道，把比特调制到信道的载波频率上，进行基本的链路通信，同时为了增强抗干扰性，蓝牙还是用跳频机制，也就是通信的双方约定好，先在哪个信道通信，下一个时段在另一个信道上通信。

这里面涉及到一个最基本的问题，也就是我们的比特，0或者1，是怎么调制到载波上的呢？

频移键控FSK调制

BLE采用的FSK调制方式，也就是用不同的频率表示0和1。在蓝牙的一个通信信道中，小于中心频率被称为负频偏，大于中心频率被称为正频偏。

于是，我们使用负频偏的信号表示0，正频偏表示符号1。

比如我们选择2402MHz这个信道进行通信，负频偏代表了比特0，正频偏代表了比特1。则最小的频偏约为180KHz。也即是说，如果中心频率选取了2402MHz，比特0意味着传输2401.820MHz，比特1意味着传输2402.180MHz。

从时域分析图来看，就像下面这样的波形。

以上就是频移键控的调制方式，也就是把符号0 和 1分别用不同的频率来表示。

这里得加一个器件，以便于我们去理解后面的扩频通信，在这里先提出来，这个器件就是压控振荡器，顾名思义，就是使用电压来控制震荡频率。

如果应用在我们上面的FSK中，其实就是一些固定的电压点对应着每个信道上面的0 和 1。只要经过压控振荡器，就变成不同的频率了。

什么是扩频通信呢？

LoRa的调制与解调也就是如何在物理波形和比特数据之间进行转换。

LoRa 使用 CSS （Chirp Spread Spectrum）线性扩频调制，频率线性扫过整个带宽，因此抗干扰极强，对多径和多普勒效应的抵抗也很强。

LoRa的基本通信单元是linear chirp，也即频率随时间线性增加（或减小）的信号。

我们将频率随着时间线性增加的chirp符号叫做upchirp，将频率随着时间线性减小的chirp符号叫做downchirp。

如下两图分别从时域波形和时频域展示了一个upchirp的图像：

上面的图片展示的波形是一个频率从小变大的过程。如果在压控振荡器输入来测量，那就是从低到高的一个线性变化的电压。在转换到频域中观察就是下图这样的一条斜线。

我们知道了线性扩频就是一个线性递增的频率，那么回到最初的问题，符号 0 和 1是怎么来表示的呢？

LoRa的做法是通过在频域循环平移chirp进行数据的编码，不同的起始频率代表不同的数据。

如下图所示，在带宽B内四等分标定四个起始频率，我们可以得到4种类型的符号，分别表示00，01，10，11。

我们将图(a)所示从最低频率扫频到最高频率的chirp符号称为basic upchirp。所以在接收端，只需要将这个起始频率计算出来，就可以计算出每一个chirp对应的比特数据。

这里，LoRa规定了一个参数SF（Spreading Factor，扩频因子）

如上图，当SF = 2时，我们获得4个起始频率，编码为00，01，10，11。那么如果SF = 3，就可以得到8个起始频率了。

因此，SF越大，我们在整个带宽上分出的起始频率点就越多，当然也不能无限多，频率的分辨率会不够。

如果我们固定的选择一个带宽BW，那么SF越大，也就意味着T越大，也就是发送一个符号的时间越长。因此SF用于调节传输速率和接收灵敏度，越大的SF速率越小但支持更远的通讯距离。

如果我们在频率上监测的话，可以看到一段LORA的频率如下：

用声音来打个比方，蓝牙的调制方式就是把不同的声音定义成 0 和 1 来进行传递。而LoRa的扩频就相当于我们通过唱一首歌来通信，把符号分成多个，把从不同的段开始唱来表示不同的符号。