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LoRa調制技術究竟給我們帶來了哪些突破?

2016-01-13

  LoRa是一種專用于無線電擴頻調制解調的技術,它與其他如FSK(頻移鍵控)、GMSK(高斯最小頻移鍵控)、BPSK(二進制相移鍵控)及其派生的調制方案形成明顯的對比。
  它融合了數字擴頻、數字信號處理和前向糾錯編碼技術,擁有前所未有的性能。此前,只有一些軍事通訊系統中才會融合這些技術,而隨著LoRa的引入,嵌入式無線通信領域的局面發生了徹底的改變。
  

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  前向糾錯編碼技術是給待傳輸數據序列中增加了一些冗余信息,這樣,數據傳輸進程中注入的錯誤碼元在接收端就會被及時糾正。這一技術減少了以往創建“自修復”數據包來重發的需求,且在解決由多徑衰落引發的突發性誤碼中表現良好。
  

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  一旦數據包分組建立起來且注入前向糾錯編碼以保障可靠性,這些數據包將被送到數字擴頻調制器中。這一調制器將分組數據包中每一比特饋入一個“展擴器”中,將每一比特時間劃分為眾多碼片。LoRa調制解調器經配置后,可劃分的范圍為64-4096碼片/比特。AngelBlocks配置調制解調器可使用4096碼片/比特中的最高擴頻因子(12)。相對而言,ZigBee僅能劃分的范圍為10-12碼片/比特。
  

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  通過使用高擴頻因子,LoRa技術可將小容量數據通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。實際上,當你通過頻譜分析儀測量時,這些數據看上去像噪音,但區別在于噪音是不相關的,而數據具有相關性,基于此,數據實際上可以從噪音中被提取出來。其實,擴頻因子越高,越多數據可從噪音中提取出來。
  

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  在一個運轉良好的GFSK接收端,8dB的最小信噪比(SNR)需要可靠地解調信號,采用配置AngelBlocks的方式,LoRa可解調一個信號,其信噪比為-20dB,GFSK方式與這一結果差距為28dB,這相當于范圍和距離擴大了很多。在戶外環境下,6dB的差距就可以實現2倍于原來的傳輸距離。
  為了有效地對比不同技術之間傳輸范圍的表現,我們使用一個叫做“鏈路預算”的定量指標。鏈路預算包括影響接收端信號強度的每一變量,在其簡化體系中包括發射功率加上接收端靈敏度。
  

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  AngelBlocks的發射功率為100mW(20dBm),接收端靈敏度為-129dBm,總的鏈路預算為149dB。比較而言,擁有靈敏度-110dBm(這已是其極好的數據)的GFSK無線技術,需要5W的功率(37dBm)才能達到相同的鏈路預算值。在實踐中,大多GFSK無線技術接收端靈敏度可達到-103dBm,在此狀況下,發射端發射頻率必須為46dBm或者大約36W,才能達到與LoRa類似的鏈路預算值。
  因此,使用LoRa技術我們能夠以低發射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離,這種低功耗廣域技術正是我們所需的。

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