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       LoRa的優(yōu)勢是由自身的調(diào)制解調(diào)特性決定的，其難點和專利所在為接收機的解調(diào)過程，再準確一點說，LoRa的數(shù)字解調(diào)算法是最核心的部分。2.2節(jié)介紹了多種擴頻方法，但并非使用了擴頻技術(shù)其靈敏度就會大幅增加，也不是處理增益越高的系統(tǒng)靈敏度越高，而是與系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)機制相關(guān)。這也是LoRa調(diào)制技術(shù)區(qū)別于其他擴頻技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)。

一、LoRa調(diào)制理論

在研究LoRa調(diào)制理論前需要對一些基礎(chǔ)參數(shù)的概念進行解釋：

SF：擴頻因子，對碼片數(shù)量取對數(shù)后的數(shù)字；

CR：編碼速率，有效編碼率為4/（4+CR）；

BW：調(diào)制帶寬，當前LoRa物理層支持的帶寬范圍為7.8～500kHz；

NF：無線電噪聲系數(shù)（單位：dB）。

1.LoRa調(diào)制鏈路

        圖3-1中的LoRa調(diào)制鏈路由五部分組成，分別是糾錯編碼機、交織器、擴頻序列產(chǎn)生器、笛卡兒極坐標轉(zhuǎn)換器、Delta-sigma調(diào)制器。

圖3-1   LoRa調(diào)制框圖

1）糾錯編碼機

 

       如圖3-1所示，當一組數(shù)據(jù)［用戶的有效載荷（Payload）］被推入數(shù)據(jù)包接口（PacketInterface）時，調(diào)制過程開始。調(diào)制器通過糾錯編碼機將前向糾錯編碼（ForwardErrorCorrection，F(xiàn)EC）添加到這些字節(jié)中。

 

       這些有效載荷數(shù)據(jù)每一字節(jié)首先分成半字節(jié)（4位一組）。然后，根據(jù)編碼速率配置，在1～4冗余糾錯位之間選擇并追加到每個半字節(jié)。調(diào)制器編碼速率通過CR寄存器進行設(shè)置，表3-1為前向糾錯編碼配置表。

表3-1    前向糾錯編碼配置表

2）交織器

       通過糾錯編碼后，產(chǎn)生的（4+CR）比特段，隨后被存儲到交織器的存儲陣列中。交織器（Interleaver）有（4+CR）列和SF行。一旦交織器滿了，它的內(nèi)容將編碼到碼元上。每個碼元都帶有SF位。因此，交織器內(nèi)有（4+CR）×SF比特，獨立于擴頻因子SF被編碼到4+CR碼元上。

       這里舉一個例子幫助讀者理解交織器。假設(shè)此時CR=1，SF=7，其交織器為7行、5列。需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流為：00000001001000110100010101100111。先將這些比特流分為4b一組（b1/b2/b3/b4）：0000；0001；0010；0011；0100；0101；0110；0111；對上述數(shù)據(jù)增加1b校驗位（b1/b2/b3/b4/C）后為：00000；00011；00101；00110；01001；01010；01100；01111；再將上述數(shù)字填入交織器的存儲列陣中。表3-2所示為交織器存儲列陣數(shù)據(jù)模擬表，表中共有7行、5列，可以放置35b的數(shù)據(jù)。

表3-2   交織器存儲列陣數(shù)據(jù)模擬表

       交織器存儲列陣中的數(shù)據(jù)放置是通過一定的映射關(guān)系實現(xiàn)的。如圖3-2所示，為數(shù)據(jù)與碼元的交織映射關(guān)系示意圖，可以看到35位的數(shù)據(jù)按照一定的映射關(guān)系被塞入5個碼元中。

圖3-2    交織映射示意圖

 

       當35b數(shù)據(jù)進入交織器的存儲列陣后，交織器存儲滿了，下一組數(shù)據(jù)（b1/b2/b3/b4/C）需要填入下一個交織器中。

3）擴頻序列產(chǎn)生器

       每個碼元都由2SF個碼片組成。碼片速率chip-rate等于調(diào)制帶寬BW。因此，碼元（symbol）的持續(xù)時間為

則無限長有效載荷（Payload）的有效數(shù)據(jù)速率