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　　FSK

　　FSK全称为Frequency Shift Keying。LoRaWAN协议也在某些频段写明除LoRa之外也支持(G)FSK。FSK的核心思想是用两种频率的载波分别表示1与0。只要两种频率相差足够大，接收端用简单的滤波器即可完成解调。

　　图4 FSK时域波形

　　对于发送端，简单的做法就是做两个频率发生器，一个频率在Fmark，另一个频率在Fspace。用基带信号的1与0控制输出即可完成FSK调制。但这样的实现中，两个频率源的相位通常不同步，而导致0与1切换时产生不连续，最终对接收器来讲会产生额外的干扰。实际的FSK系统通常只使用一个频率源，在0与1切换时控制频率源发生偏移。

　　GFSK是基带信号进入调制前加一个高斯(Gaussian)窗口，使得频率的偏移更加平滑。目的是减少边带(Sideband)频率的功率，以降低对相邻频段的干扰。代价是增加了码间干扰。

　　CSS-Lora的核心

　　LoRa是一种利用Chirp进行扩频的全新的调制方式，是所有基于LoRa技术的组网技术(包括LoRaWAN，aiCast等等)的最重要组成部分。这种调制方式技术上的名称应该为FM(Chirp)。从实现上来讲，LoRa本身的核心技术是使用分数PLL生成稳定的Chirp信号。

　　先看一看Chirp这个信号，(注：这个词来源于同名鸟类的叫声的信号特点，对于信号处理来讲也可称作扫频)。Chirp的特点是信号的频率以一定的规律变化，而FSK的信号只会在两个频点切换。

　　图5 线性Chirp信号时域图

　　而频谱图上该信号是一条线:

　　图6 线性Chirp信号频谱图

　　当然Chirp信号的频率不仅仅只是线性变化，还有其他很多种变化，如指数Chirp，对数Chirp等等。LoRa调制的核心思想是使用这种频率的变化的模式来调制基带信号，Chirp变化的速率也就是所谓的”Chirpness”，在Semtech的数据手册和文档中称之为扩频因子(Spread Factor)。扩频因子越大，传输的距离越远。代价就是数据速率，因为要用更长的chip来表示一个symbol。

　　图7 LoRa的时域信号

　　图8 LoRa的频域信号

　　概括来讲，基于扫频技术的LoRa调制相对于传统的调制方式有几个明显的优点:

　　1.在接收端与发送端，时间/频域的偏移是相等的。这样大大降低了接收器的设计复杂度。扫频的频率带宽等于信号的频域带宽。

　　2.扫频扩频产生了处理增益(ProcessingGain)，使得接收端可以解调出比噪音的幅度更低的信号。这样在相同的发射功率下，传输的距离大大增加。

　　处理增益PG就是扩频后的带宽与扩频前的带宽的比值。如何理解处理增益，这里使用一个比喻来说明。某时刻一个收音机因为信号不好，播放的都是类似于噪音的音频，假设你用录音设备在T0时刻录制了一段100ms的音频定义为Audio0(并且记忆Audio0的规律)。那么如果收音机在后面的播放中又播放了与Audio0类似的音频，就可以说接收到了Audio0。实际意义是当某信号低于噪音时，接收器只有撇开所有噪音，使用一个专门的滤波器来寻找此信号时才能找到。这一点是LoRa的接收灵敏度性能的关键所在，比如FSK需要信噪比(SNR)在10dB左右才能稳定接收，而LoRa对信噪比要求则很低:

　　图9 LoRa收发芯片SX127X的不同扩频因子对应的解调信噪比

　　1.带宽可伸缩

　　可用于窄带也可用于宽带。

　　2.包络恒定/低功耗

　　与FSK一样是包络恒定的调制方式，所以直接使用已有的FSK的PA，而由于PG(处理增益)，能在更低的功耗达到或超过FSK的链路预算。

　　3.高鲁棒性

　　因为采用了扩频调制，单个LoRa符号比一般的跳频通信的短突发时段要长，故此对于AM脉冲干扰抑制较强，典型的信道外选择性可达90dB，信道内排斥度可达20dB。对于FSK，这两个参数分别为大约50dB与-6dB。

　　4.抗多径/衰落

　　因为单个扫频脉冲的带宽相对较大，所以基本不受多径/衰落影响。

　　5.抗多普勒效应

　　多普勒效应造成的频移只会在LoRa的基带信号带来一个基本上可以忽略不计的时间轴平移。

　　6.大网络容量

　　从单个Spread Factor来计，LoRa的容量小于FSK。但是由于多个Spread Factor的信道是正交的，所以整个LoRa的网络容量等于所有Spread Factor信道的容量相加。比如对于一个125Khz的带宽：

　　如果划分给12个窄带FSK信道，每个信道的等效波特率为1200，则:

　　CapacityFSK = 12 * 1200 =14400 bps

　　如果同样的带宽分给单个的LoRa信道来调制，因为所有的SF之间正交，所以：

　　CapacityLoRa= 1 *(SF12 + SF11 + SF10 + SF9 + SF8 + SF7 + SF6)

　　=1 * (293 + 537 + 976 + 1757 + 3125 + 5468 + 9375)

　　= 21531 bps