LoRa无线通信技术介绍（一）调制技术_科技

LoRa无线通信技术介绍（一）调制技术

创始人

2024-06-02 13:43:12

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扩频通信

香农定理

在信息论中，香农-哈特利定理说明了在噪声存在的情况下，信息可以在指定带宽的通信信道上传输的最大速率。

该定理建立了通信链路的香农信道容量，并定义了在存在噪声干扰的情况下，在指定带宽内可以传输的最大数据速率(信息):

$\text{[math]}$

C =通道容量(bit/s)

B =通道带宽(Hz)

S =平均接收信号功率(W)

N =平均噪声或干扰功率(W)

S/N =信噪比(SNR)，用线性功率比表示

通过将方程从log以2为底的对数重新排列为自然对数e，并注意到ln = log，我们可以对方程进行如下处理:

$\text{[math]}$

对于扩频应用，信噪比很小，因为信号功率通常低于噪声下限。假设信噪比S/N << 1，则:

$\text{[math]}$

或者

$\text{[math]}$

由上式可知，要在信噪比固定的信道中传输无差错信息，只需增加发射信号带宽（B）即可。

扩频通信原理

如上所述，通过增加信号的带宽，我们可以补偿无线电信道的信噪比(或信噪比N/S)的下降。

在传统的直接序列扩频(DSSS)系统中，发射机的载波相位按照编码序列变化。这个过程通常是通过将需要的数据信号与扩频码(也称为Chip序列)相乘来实现的。Chip序列以比数据信号速率快很多的方式生成，从而将信号带宽扩展到原始信号所占用的原始带宽之外。

在接收机上，来自发送过来的信号经过与本地生成的扩频序列相乘来恢复所需的数据信号。接收器中的这个乘法过程有效地将扩频信号压缩回其原始的未压缩带宽，如下图所示

上图应该注意的是，接收机中必须使用与发射机中相同的Chip序列码才能正确地恢复原始信息

对于直接序列，扩展量取决于“每bit中chip大小”的比率——chip序列与所需数据速率的比率，称为处理增益(Gp)，通常以dB表示。

$\text{[math]}$

RC = chip速率 (Chips/s)

Rb = 位速率 (bits/s）

以及为所需的传输提供固有的处理增益(使接收机即使在信道的信噪比为负值时也能正确地恢复数据信号);接收机的过程增益也降低了干扰信号。这些信息的传播超出了所需的信息带宽，可以通过过滤很容易地消除

DSSS广泛应用于数据通信领域。然而，低成本或功耗有限的设备和网络仍然面临挑战、

通常，就像GPS或IEEE标准802.15.4k的DSSS PHY一样，系统将需要一个高度精确和昂贵的参考时钟源。此外，扩展代码或序列越长，接收方在整个代码序列长度上执行相关性所需的时间就越长，或者通过通过代码序列按顺序搜索或并行实现多个相关器来执行相关性，对于那些不能“一直开机”的低功耗产品，需要重复快速同步的功耗受限设备来说，很难满足该应用需求。