LoRa 专业术语

无线通信原理

在通信系统中，我们需要弄清模拟和数字的关系：一个模拟信号就是一个连续变化的电磁波，一个数字信号是一个电压脉冲序列。看一个实例，下图选自经典教材《无线通信与网络（第二版）》，电话通信是典型的模拟数据（声波）通过模拟信号传输；家庭宽带拔号上网是典型的数字数据（计算机只能处理数字信号）通过模拟信号（由“猫”完成调制）传输，同时模拟信号也可以转换成数字信号（由“猫”完成解调）；计算机局域共享则是典型的数字数据通过数字信号传输。

通信信号的第一个“敌人”是噪声，如下图所示，噪声会影响数字位，足以将 1 变为0，或将0 变为1，导致通信数据出现错误。

无线传播主要有3 种类型：地波传播、天波传播和直线传播，如下图所示。

无线信号除直线传播外，因为阻碍物的存在，还会发现如下图所示的3 种传播机制：反射（R）、散射（S）和衍射（D），因为传输路径的不同而引起多径衰退是无线通信的一个挑战。

因为电磁波是连续的模拟信号，无线通信中数字数据都需要调制成模拟信号，常见的方法有：ASK（幅移键控）、FSK（频移键控）和PSK（相移键控），如下图所示。

LoRa 工作原理

1944 年，好莱坞26 岁女影星HedyLamarr（号称世界上最美丽的女人）发明了扩频通信技术，这种跳频技术可以有效地抗击干扰和实现加密。
后来人们发现，扩频技术可以得到如下收益：从各种类型的噪声和多径失真中获得免疫性，得到信噪比的增益。换句话说，使用扩频通信抗干扰性更强，通信距离更远。CDMA 和WiFi 都使用了扩频技术。扩频调制的示意图如下所示，用户数据的原始信号与扩展编码位流进行XOR（异或）运算，生成发送信号流，这种调制带来的影响是传输信号的带宽有显著增加（扩展了频谱）。当然扩频技术也不是万能的，它至少有2 个弊端：扩展编码调制生成更多片的数据流导致通信数据率下降；较复杂的调制和解调机制。

长期以来，要提高通信距离常用的办法是提高发射功率，同时也带来更多的能耗。电池供电的设备（如水表）一般只能使用微功率无线通信，这样一来就限制了其通信距离。现在，SemTech 公司推出的LoRa 射频，因为采用了扩频调制技术，从而在同等的功耗下取得更远的通信距离。

2013 年SemTech 公司推出SX1276/8 系列的扩频调制射频芯片，它的实现方式非常巧妙，整个解调器引擎只需要50K 个门。功耗低：休眠电流0.2uA，接收电流12mA，发射电流29mA@13dBm，和常见的GFSK 芯片Si4438 和CC1125 接近，但是通信距离是GFSK 芯片的3 倍。附带说一句，我们国人在IT 技术上最大的弱项是硬件呀，基本上IC（集中电路）芯片都靠进口。SemTech 公司官方宣称该芯片可以达到：可视距离15kM，城市环境中3kM 的通信距离。根据我们的实测数据：SX1278 在1kbps 的速率下可以单跳覆盖一个5000 多户的小区。这意味着，使用简单的星型组网就可以建立LoRa 微功率网络，而GFSK 调制的芯片常常需要树型或MESH 等复杂的路由网络。

同时，根据我们的使用经验，发现LoRa 射频芯片至少有2 个弊端：首先，通信速率低，它真正与GFSK拉开通信距离差距的速率都低于1kbps，这意味着LoRa 主要用于低速率通信，如传感器数据；另外，1.5～2 美金的售价比GFSK 芯片高出许多，给产品带来高成本。