劳拉的扩频技术
LoRa是一种基于扩频的调制方式，通过它将信号扩频到宽带宽的噪声中，获得扩频增益。
扩频的概念和原理
扩频通信(SpreadSpectrumCommunication，SSC)即扩频通信技术，其特点是用于传输信息的信号带宽远大于信息本身的带宽。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时，信噪比可以进一步降低。扩频通信
就是用宽带传输技术来交换信噪比的好处，这是扩频通信的基本思想和理论基础。
扩频技术是一种将信息信号的带宽扩展许多倍以进行通信的技术。传输信号的带宽远大于信息信号的带宽。比如传输一个***Kbps的数据流，它的基带带宽只有***KHz左右，但是用扩频技术传输，它占用的信道带宽可以扩展到5MHz、10MHz甚至更大。同时，传输到空的监听电功率谱(单位带宽功率)会大大降低。
传统的数字数据通信的原理是使用适合于数据速率的尽可能小的带宽。这是因为带宽有限，要共享的用户很多。扩频通信的原理是尽可能利用最大的带宽，同样的能量在一个大的带宽上传播。这里，扩频带宽的一小部分干扰常规监听信号，但是常规监听信号不影响扩频信号，因为两个信号的带宽比常规信号的带宽窄。
扩频通信，即扩频通信技术，其基本特点是用来传输信息的信号的带宽远大于信息本身的带宽。此外，扩频通信具有以下特点:
是一种数字传输方式； 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； 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。
根据C.E.Shannon在信息论研究中总结的信道容量公式，即Shannon公式:
C = w×log2(1+s/n)
其中:C & # 8211信息的传输速率S & # 8211有用信号功率W & # 8211带宽N & # 8211噪声功率
从公式中可以看出:
为了提高信息的传输速率C，可以通过两种方式实现，即增加带宽W或增加信噪比S/N，换句话说，当信号的传输速率C不变时，信号带宽W和信噪比S/N是可以互换的，即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时，信噪比可以进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声下都是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来交换信噪比的好处，这是扩频通信的基本思想和理论基础。
扩频通信系统在发送端扩展信号频谱，在接收端解扩并恢复信息。该系统的优点是大大提高了抗干扰能力。理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后扩频信号的带宽比有关。通常，扩频信号带宽W与信息带宽△F的比值称为处理增益GP，即:
它显示了扩频系统信噪比的改善程度。此外，扩频系统的其他性能大多与GP有关。因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。
系统的抗干扰容差MJ定义如下:
其中:(序列号)。=输出端的信噪比，LS =系统损耗
可以看出，抗干扰容限MJ与扩频处理增益GP成正比。扩频处理增益提高后，抗干扰容限大大提高，甚至在一定的噪声湮没下信号也能正常通信。通常，扩频设备总是将用户信息(要传输的信息)的带宽扩展到几十倍、几百倍甚至几千倍，以尽可能提高处理增益。
频谱的扩展以数字方式实现。在二进制码比特的周期中，使用新的多比**型来替换它。新码型的码率远高于原码。从傅立叶分析可以看出，新码型的带宽比原码的带宽高得多，从而扩展了信号的带宽。这些新代码也被称为伪随机(PN)码。码位越长，系统性能越高。一般商用扩频系统的PN码长度应不低于12位，一般为32位，**系统可达1000位。
目前，有三种常见的代码类型:
M 序列，即最长线性伪随机系列；GOLD 序列；WALSH 函数正交码。
当选择上述任意一个序列时，如M序列，可用码即正交码成对组合，分成若干组，每组代表一个不同的用户，每组中的两种码型分别代表原始信息”1″还有”0″。对系统的原始信息进行编码传输，接收机利用相关处理器将接收信号与本地码型进行相关，然后求解基带信号(即原始信息)实现解扩，从而区分不同用户的不同信息。微波扩频通信的原理如图1所示:
扩频通信原理
从图中可以看出，一般的监听扩频通信系统要调制三次。第一种调制是信息调制，第二种调制是扩频调制，第三种调制是射频调制。接收机有相应的射频解调、扩频解调和信息解调。根据扩频方式的不同，扩频通信系统可以分为直接序列扩频(DS)、跳频(FH)、跳时(TH)、线性调频以及上述方式的组合。
所谓直接序列扩频(DS-s cycle)是指在发送端用高比特率扩频码序列直接对信号的频谱进行扩频，在接收端直接使用相同的扩频码序列对信号的扩频进行解调，恢复原始信息。直接序列扩频的扩频和解扩过程如下图2所示:
信息的扩频过程
扩频信号的解扩处理
我们从图中可以看到:
一开始，信息码是用更高比特率的PN码调制的，频谱得到了扩展。在接收端，扩频信号用相同的PN码解调后，恢复信息码；
信息码调制、扩频传输、解调然后恢复的过程类似于PN码两次”模加法”这个过程。
在下面的图4中，我们还可以看到能量面积图的概念:
待传输信息的频谱扩展后，能量在较宽的频带内均匀分布，功率谱密度降低；
扩频信号解扩后，宽带信号还原为窄带信息，功率谱密度增加；
脉冲干扰与信息信号相比，只经过一次模加的调制过程，频谱展宽，功率谱密度降低，可以从噪声干扰中提取有用信息。
传输速率和距离
传输速率是系统设计中的一个关键可变因素，它将决定整个系统整体性能的许多属性。***传输距离由接收机灵敏度和发射机输出功率决定，二者之差称为链路预算。输出功率受标准规范限制，只能通过提高灵敏度来增加距离，而灵敏度受数据速率影响较大。对于所有调制方式，的速率越低，接收机的带宽越窄，接收灵敏度越高。如今，FSK或GFSK是高性价比***收发器中使用最广泛的调制模式。要进一步降低FSK系统的接收机带宽，唯一可行的办法就是提高参考晶振的精度。虽然尚未经过测试，但可以预测，这将很容易导致频率偏差超过接收机带宽。通常，低成本晶体的精度仅为20ppm，这将使用载频为868MHz或915MHz的系统将最大数据传输速率限制在20kbps，灵敏度限制在-112dBm。使用温度补偿晶体振荡器可以获得更高的灵敏度，但温度补偿晶体振荡器的价格将是普通晶体的三倍。
扩频调制在其他领域已经使用了很多年，但之前没有在低成本的传感器网络方案中使用。在相同的数据速率下，商用低成本扩频调制方法可以获得比传统FSK调制方法高8-10dB的灵敏度。Semtech将推出一种新的收发器，它集成了一种称为LoRa的扩频调制方法和传统的GFSK调制方法。该图示出了在GFSK调制和LoRa扩频调制系统中灵敏度对数据速率的曲线。
GFSK调制和LoRa扩频调制系统中灵敏度对数据速率曲线。
一些扩频调制方式对晶体引起的频率偏移不太敏感，这类接收机在125kHz带宽内使用低成本的20ppm晶体时可以获得接近-140dBm的灵敏度。与FSK系统相比，这种新的扩频方式在使用相同的低成本晶体时，灵敏度提高了30dB，理论上相当于传输距离增加了5倍。通过降低速率获得最大传输距离和要求最长的电池寿命是有冲突的。数据速率决定空中的传输时间。传输速率越高，系统传输或接收所需的时间就越少。100kbps系统只需要50kbps系统一半的传输时间。更快的速率可以使更多的节点共存于同一区域而不发生争用，但会降低接收灵敏度和传输距离。每个接收机提供多种工作和睡眠模式，不同模式下的功耗不同。每个节点的接收比空将决定哪些模式对功耗的影响最大。例如，如果一个节点经常处于接收状态，那么接收电流就非常重要。同样，如果一个节点一天只传输一次，休眠电流是最重要的因素。
为什么要用扩频？
使用扩频可以降低误码率，也就是信噪比。也就是说，扩频中的每一位数据都乘以扩频因子。例如，如果有一个1比特要传输，当扩频因子为1时，传输过程中数据1将由1表示，当扩频因子为6(有6比特)时，111111将表示1，这样乘以这个的每一个比特都由6比特数据表示，这意味着要传输的数据总量增加了6倍。
这种扩频传输可以降低误码率，也就是信噪比，但是降低了相同数据量的情况下可以传输的实际数据。因此，扩频因子越大，传输的数据速率(比特率)越小。扩频因子越小，传输速率越高。
扩频因子还有一个用途，就是正交码(OVSF:正交可变扩频因子)。通过OVSF，可以获得正交扩频码。当扩频因子为4时，有4个正交扩频码，正交扩频码可以防止同时发送的监听信号相互干扰。也就是说，当扩频因子为4时，可以同时传输4个人的信息。
语音和数据服务的数据速率不同，因此它们的扩频因子也不同。
扩展因子
扩频因子用途(信道代码:OVSFcodes)
上行:同一UE进行多信道传输时，区分不同的物理信道；
下行:区分同一小区的不同物理信道；
例如
433MHz模块SX127x采用LoRa扩频传输技术，传输距离和突防能力比传统FSK、GFSK等提高0.5-0.8倍。为每个可选速率选择不同的扩频因子，扩频因子减少1，速率减少约一半。带宽增加一倍，速率也相应增加一倍，但扩频因子、速率和占用带宽并不是完全线性正比:
可选速率/扩频因子/占用带宽:0.81k/10/125k、1.46k/9/125k、2.6k/8/125k、4.56k/7/。
扩频通信的优势:
1。发射功率密度低，不易对其他设备造成干扰。
2。保密性高，被截获的可能性极低。
3。抗干扰能力强，抑制同频干扰和各种噪声的能力强。
4。它具有优良的抗多径衰落性能。
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