LoRa技术核心——扩频技术

扩频技术

       扩展频谱技术是用比信号带宽宽得多的频带宽度来传输信息的技术。扩频通信是将待传送的信息数据用伪随机编码(扩频序列:SpreadSequence)调制,实现频谱扩展后再传输;接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理,恢复原始信息数据。它是一种宽带的编码传输系统。
        在研究扩频通信技术之前,我们要先研究通信系统中的几个基本问题:
  • 传输的有效性——带宽与频谱问题;
  • 传输的可靠性——信道与干扰问题;
  • 传输的安全性——截获与对抗问题。
       有效性、可靠性和安全性通常是矛盾的。一般情况下,要增加系统的有效性,就得降低可靠性,反之亦然。在实际中,常常依据实际系统的要求采取相对统一的办法,即在满足一定可靠性指标下,尽量提高消息的传输速率,即有效性;或者,在维持一定有效性的条件下,尽可能提高系统的可靠性。
       不同的扩频技术发展就是在上述的三个方面中不断寻找平衡的过程。

一、扩频通信的历史

       扩频通信技术始于19世纪20年代雷达的发明,其主要目的是提高分辨率。在第二次世界大战(WWII)中,军队对抗干扰也有此思想。
       真正有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员HedyLamarr和钢琴家GeorgeAntheil提出的(图2-21)。基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路,他们申请了美国专利#2.292.387。不幸的是,当时该技术并没有引起美国军方的重视。该专利于1962年古巴导弹危机时到期。1998年6月,Hedy Lamarr将此专利卖给Wi-LAN公司。
  HedyLamarr和GeorgeAntheil
图2-21   HedyLamarr和GeorgeAntheil的照片
 
       世界上第一个直接序列扩频系统是在美国的联邦通信实验室(FTL)于1949年由Derosa和Rogoff完成的,它成功地工作在NewJersey和California之间的通信线路上。
       理论研究紧跟其上,1950年Basore首先提出把这种扩频系统称作NOMAS(Noise Modulation And Correlation Detection System)这个名称被使用相当长的时间。
       1951年后,美国的ASC(ArmySignalCorps,陆军通信兵)要求进一步研究NOMACS,想把它应用于高频无线电传通信线路,以对抗敌人的干扰。1952年由LincolnLaboratory研制出P9D型NOMACS,并进行了试验。1953—1955年Lincoln Laboratory研制出了F9C型无线电传机系统。
       很快,美国海军和空军也开始研究他们自己的扩频系统,空军使用名称为“Phatom”(鬼怪、幻影)和“Hush-Up”(遮掩),海军使用名称为“Blades”(桨叶)。那时设备庞大,是用电子管装的,设备要装几间屋子,使应用受到限制。在晶体管出现后,特别是集成电路出现后,才使扩频系统得到广泛使用。
       第一本有关扩频系统的专著是R.C.Dixon于1976年出版的。1978年在日本京都召开国际无线通信咨询委员会公布研究成果。1982年在美国召开第一次军事通信会议,两次报告扩频技术在军事中的应用。1985年美国提出CDMA(码分多址)的概念。同年美国联邦通信委员会(FCC)制定扩频通信的标准和规范,逐步转入民用的商业化研究。20世纪90年代,美国国家航空和航天管理局提出CDMA方式的频谱利用率高于FDMA方式,对扩频通信的研究产生深远影响,其后各公司逐步生产商用产品。
       最近的二十几年扩频技术得到越来越广泛的使用。例如,美国的全球定位系统(GPS)设备简单,定位精度高,全球使用;通信数据转发卫星系统(TDESS)、码分多址(CDMA)卫星通信系统,特别是NASA和军用卫星通信系统几乎都使用扩频技术和码分多址移动通信系统,这些都属于直接序列扩频系统;跳频扩频系统如多种跳频电台和SINCGARS(30~80MHz);跳时-跳频混合扩频型如JTIDS系统
(Joint Tactical Information Distribution System);我国正式把扩频技术作为国家主要项目进行研究是在20世纪70年代。
以后在卫星通信的数据传输、定位、授时系统中都有使用。今后,在卫星通信、移动通信系统、定位系统等领域将会得到进一步广泛使用。
       从历史的经验总结,扩频通信主要基于两个方面:一个是信息战,即信息对抗-电子对抗-通信对抗;另一个是提高频带的利用率。

二、扩频技术介绍

       如图2-22所示,扩频通信在发射链路上,信息通过扩频调制后再通过射频调制方法将信号发出,在接收链路上同样采用下变频后扩频解扩的方案。可以理解为在原有的射频收发路径上分别增加了扩频调制和扩频解扩两个模块。扩频通信方式与常规的窄带通信方式的区别如下:
  • 信息的频谱扩展后形成宽带传输;
  • 用扩频码序列来展宽信号频谱;
  • 相关处理后恢复成窄带信息数据。
扩频通信调制解调框图
图2-22   扩频通信调制解调框图
       扩频通信的基本过程如图2-23所示。基带数据信号通过扩频调制处理,变为射频频段更宽的数据信号,信号的功率密度变小了,表达为原有数据与扩频序列(SS)的乘积:(Data-In)×(SSCode),如图2-23(a)所示。解扩解调处理的过程为,在射频频段的信号通过下变频和解扩后,恢复成为原有的基带数据,如图2-23(b)所示。
扩频通信过程频率信号图
图2-23    扩频通信过程频率信号图
        可以看到扩频调制处理是在能量不变的情况下把基带的数据搬移到射频频段,且使用的频谱带宽增加。同理,解扩与解调过程是把在射频频段的宽带宽信号恢复到原有的基带频段。可以看到扩频前后,代表信号总能量的阴影长方形的面积是不变的。

1.扩频调制特点

       在上述的扩频调制与解扩解调过程中,可以带来通信系统抗干扰能力强、隐蔽性强、抗多径干扰、扩频多址、频谱利用率高、精确定位测距等优点。
1)抗干扰能力强
 
       扩频技术的抗干扰能力强,分为抗宽带干扰和抗窄带干扰。宽带干扰可以理解为基底噪声较高的干扰信号,窄带干扰为脉冲信号。
       针对宽带干扰的情况,从图2-24中可以看到,原本干扰源已经在整个频段完全覆盖了有效信号,如图2-24(a)所示。如图2-24(b)所示,经过解扩之后,干扰信号变成了平坦的噪声,而有效信号变成了窄带信号,且在有效带宽内的信号强度远大于干扰信号,这样就可以解调出有效信号。
 扩频系统抗宽带干扰能力示意图
图2-24    扩频系统抗宽带干扰能力示意图
 
       针对窄带脉冲干扰情况,从图2-25(a)中可以看到一个非常大的脉冲信号在有效信号的频带内。如图2-25(b)所示,当经过解扩之后干扰信号就变成了平坦的噪声,而有效信号变成了窄带信号,且在有效带宽内的信号强度远大于干扰信号,这样就可以解调出有效信号。
扩频系统抗脉冲干扰能力示意图
图2-25    扩频系统抗脉冲干扰能力示意图
 
       LoRa超强的抗干扰能力就是来源于这两个扩频抗干扰的特点,大家可以回顾1.3.3小节,这就是LoRa抗干扰能力强的原因。
        扩频通信在空间传输时所占用的带宽相对较宽,而接收端又采用相关检测的办法来解扩,使有用宽带信号恢复成窄带信号,而把非所需信号扩展成宽带信号,然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。这样,对于各种干扰信号,因其在接收端的非相关性,解扩后窄带信号中只有很微弱的成分,信噪比很高,因此抗干扰性强。在商用的通信系统中,扩频通信是能够工作在负信噪比条件下的通信方式。就比如LoRa可以在-20dB之下的信噪比条件下工作。
2)隐蔽性强
       隐蔽性强又叫作可检性低(Low Probability of Intercept,LPI),不容易被侦破,对各种窄带通信系统的干扰很小。如图2-26(a)所示,扩频前数据高于噪声基底,其信号非常容易被检测;当信号被扩频后,如图2-26(b)所示,信号完全在噪声基底之下,无法通过能量强度的方式检测出来。
 扩频抗干扰性示意图
图2-26    扩频抗干扰性示意图
 
       由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了,单位频带内的功率很小,信号湮没在噪声里,一般不容易被发现,而想进一步检测信号的参数(如伪随机编码序列)就更加困难,因此说其隐蔽性好。再者,由于扩频信号具有很低的功率谱密度,它对使用的各种窄带通信系统的干扰很小。在安全性上LoRa技术也继承了扩频技术的优点,一般设备很难侦破和干扰到LoRa信号。
3)抗多径、衰落
 
       在无线通信的各个频段,长期以来,多径干扰始终是一个难以解决的问题,如图2-27所示,信号通过反射、直射、绕射、透射等不同路径达到接收机,接收机收到的不同延迟和强度的多组信号。这些信号互相影响,从而使接收机的解调十分困难。
       在以往的窄带通信中,采用以下两种方法来提高抗多径干扰的能力:一种是把最强的有用信号分离出来,排除其他路径的干扰信号,即采用分集接收技术;另一种是设法把不同路径来的不同延迟、不同相位的信号在接收端从时域上对齐相加,合并成较强的有用信号,即采用梳状滤波器的方法。这两种抗多径的方法在扩频通信中都易于实现。利用扩频码的自相关特性,在接收端从多径信号中提取和分离出最强的有用信号,或把多个路径来的同一码序列的波形相加合成,这相当于梳状滤波器的作用。另外,在采用频率跳变扩频调制方式的扩频系统中,由于用多个频率的信号传送同一个信息,实际上起到了频率分集的作用。
       扩频可抗频率选择性衰落:如果多路信号的相对时延与一个符号的时间相比不可忽略,那么当多路信号迭加时,不同时间的符号就会重叠在一起,造成符号间的干扰,这种衰落称为频率选择性衰落。因为这种信道的频率响应在所用的频段内是不平坦的,使用扩频技术后,当信号解扩时会通过正交解调或编码校验,大大增强了抗频率选择性衰落。同样,LoRa技术继承了扩频的此项优点,可以快速实现城市社区内远距离的网络覆盖和高速运动场景中的稳定传输。
无线传输的多径效应
图2-27    无线传输的多径效应
4)扩频多址
 
       扩频技术具有扩频多址(SSMA)能力,易于实现码分多址(CDMA)技术。图2-28所示为扩频多址的示意图,在同样的宽带信号中,可以存在多组非相关的数据共存。
扩频多址示意图
图2-28    扩频多址示意图
 
       扩频通信提高了抗干扰性能,但付出了占用频带宽的代价。如果让许多用户共用这一宽频带,则可大大提高频带的利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制,充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性,在接收端利用相关检测技术进行解扩,则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号,提取出有用信号。这样一来,在一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。
5)频谱利用率高
 
       扩频技术具有频谱利用率高、容量大的特点,可有效利用纠错技术、正交波形编码技术、话音激活技术等。
       无线频谱十分宝贵,虽然从长波到微波都得到了开发利用,但仍然满足不了社会的需求。在窄带通信中,主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。为此,世界各国都设立了频率管理机构,用户只能使用申请获准的频率。扩频通信发送功率极低,采用了相关接收技术,且可工作在信道噪声和热噪声背景中,易于在同一地区重复使用同一频率,也可与各种窄道通信共享同一频率资源。所以可以有效地利用纠错以及正交编码等方法,充分利用信道容量。LoRa技术就利用该特点可以在相同的频带内使用不同的扩频因子进行调制(SF=5~SF=12共有8种相互正交的信号可以共存),从而实现频谱的充分利用,提高信道容量。
6)精确定位测距
       扩频技术能实现精确地定时、测距与定位。UWB技术就是利用该特点,发射超短时长、超大带宽的脉冲信号,从而实现精确定位的。LoRa的2.4GHz芯片SX1280也是利用扩频技术的该特点实现测距定位的。

2.扩频系统分类

       如图2-29所示,常见的扩频系统分为直接扩频、跳频扩频和时间跳变扩频(也叫时间跳频扩频)三种。其中直接扩频又分为宽带扩频和窄带扩频;跳频扩频分为快速跳频扩频和慢速跳频扩频。宽带线性调频扩频和混合扩频也属于扩频技术,它们综合了这三种常见扩频技术的特点。
 扩频技术分类
图2-29    扩频技术分类
1)直接序列扩频
 
       直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)系统简称直接扩频(DSSS)系统或叫直接序列(DS)系统。所谓直接序列扩频,就是直接用具有高码率的扩频码序列去扩展信号的频谱。DSSS系统中用的扩频码序列通常是二相伪随机序列或叫伪噪声(PN)码,如Gold码、m序列等。在接收端,用相同的扩频码序列去进行解扩,把展宽的扩频信号还原成原始的信息。
       对数字通信系统,通常用扩频码序列去调制数据信号,实现频谱扩展,再用该复合码序列去调制载波。最常用的数字调制方式是逻辑异或,最常用的载波调制方式是BPSK。这种方式运用最为普遍,ZigBee技术就使用了该扩频技术,只是为了保证传输速率使用的扩频增益比较小而已。
       图2-30(a)所示为直接序列扩频的电路原理图,数据信号和PN码发生器经过模2加法器后再与本振信号调制后通过PA和天线发射出去。图2-30(a)中数据信号、PN码以及编码后的信号波形如图2-30(b)所示。
       直接序列扩频技术集成了扩频技术的特点,具有抗干扰、隐蔽性强、多址、抗多径、定位等优点。
直接序列扩频电路和信号示意图
图2-30     直接序列扩频电路和信号示意图
     (1)具有较强的抗干扰能力。抗干扰能力的大小与处理增益成正比。抗阻塞干扰(可以是窄带、部分带、梳状干扰等)的能力差,是因为直扩增益一般都小于滤波器的防护度。
     (2)具有很强的隐蔽性和抗侦察、抗窃听、抗测向的能力。扩频信号的谱密度很低,可使信号淹没在噪声之中,不易被敌方截获、侦察、测向和窃听。直扩系统可在-10~-15dB乃至更低的信噪比条件下工作。
     (3)具有选址能力,可实现码分多址。扩频系统本来就是一种码分多址通信系统,用不同的码可以组成不同的网,组网能力强,其频谱利用率并不因占用的频带扩展而降低,采用多址通信后,频带利用率反而比单频单波系统的频带利用率高。
     (4)抗衰落,特别是抗频率选择性能好。直扩信号的频谱很宽,一小部分衰落对整个信号的影响不大。
     (5)抗多径干扰。直扩系统有较强的抗多径干扰的能力,多径信号到达接收端,由于利用了伪随机码的相关特性,通过相关处理后,可消除这种多径干扰的影响,甚至可以利用这些多径干扰的能量,提高系统的信噪比,改善系统的性能。
     (6)可进行高分辨率的测向、定位。利用直扩系统伪随机码的相关特性,可完成精度很高的测距和定位。
2)跳频扩频
       频率跳变扩频(Frequency Hopping Spread Spectrum)系统简称跳频扩频(HFSS)系统或跳频系统。所谓跳频,是用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说,用扩频码序列去进行频移键控调制,使载波频率不断地跳变,所以称为跳频。简单的频移键控如2FSK,只有两个频率,分别代表“0”和“1”。如图2-31所示,跳频系统则有几个、几十个甚至上千个频率,由扩频码序列去进行选择控制,不断跳变。HFSS系统总的频率点数称为频率跳变数。处理增益等于可用的频率跳变数。
  跳频扩频示意图
图2-31     跳频扩频示意图
 
       跳频扩频电路原理图如图2-32所示,PN码发生器直接控制频率综合器,提供不同的本振频率,再与数据信号进行调制,通过PA和天线发射出去。图中可以看到数据在不同时刻被调制到不同的射频频段上。
 跳频扩频电路原理图
图2-32    跳频扩频电路原理图
跳频扩频同样具有抗干扰性强、保密性强、抗衰落、码分多址等优点。
     (1)抗干扰性强。跳频通信抗干扰的机理是“打一枪换一个地方”的游击策略,敌方搞不清跳频规律,因而具有较强的抗干扰能力。一方面,我方的跳频指令是个伪随机码,其周期可长达十年甚至更长的时间。另一方面,跳变的频率可以达到成千上万个。因此,敌方若在某一频率上或某几个频率上施放长时间的干扰也无济于事。
       (2)跳频图案的伪随机性和跳频图案的密钥量使跳频系统具有保密性。即使是模拟话音的跳频通信,只要敌方不知道所使用的跳频图案就具有一定的保密能力。当跳频图案的密钥足够大时,具有抗截获的能力。
     (3)分集接收技术是克服信号衰落的有效措施,利用载波频率的快速跳变,具有频率分集的作用,从而使系统具有抗多径衰落的能力。分集接收实现的条件是跳变的频率间隔要大于衰落信道的相关带宽,这个条件通常是能满足的。
     (4)跳频扩频易于实现码分多址、频谱利用率高。跳频通信可以利用不同的跳频图案(正交性)或时钟,构成跳频码分多址系统,在一定带宽内容纳多个跳频通信系统同时工作,达到频谱资源共享的目的,从而大大提高其频谱利用率。
     (5)兼容性。跳频通信系统可以与不跳频的窄带通信系统在定频上建立通信。可与常规的定频电台互通,将常规电台加装跳频模块即可变成跳频电台。
     (6)抗“远-近”效应。所谓“远-近”效应是指大功率的信号(近处的电台)抑制小功率信号(远端的电台)的现象。对此,需要在系统中采用自动功率控制以保证远端和近端电台到达接收机的有用信号是同等功率的。这一点,增加了直接扩展频谱系统在移动通信环境中应用的复杂性,对直扩系统的影响很大。对跳频系统来说,这种影响就小得多,甚至可以完全克服。这是因为当大功率信号只在某个频率上产生“远-近”效应,当载波频率跳变至另一个频率时则不再受其影响。
      采用快跳频和纠错编码系统用的伪随机码速率比直扩系统低得多,同步要求比直扩低,因而时间短、入网快。
3)时间跳变扩频
       时间跳变扩频(Time Hopping Spread Spectrum,THSS)系统简称跳时系统,THSS系统是用码序列控制发射时间。与跳频相似,只是跳时系统是使发射信号在时间轴上跳变。如图2-33所示,时间跳变扩频把时间轴分成许多时片(TimeSlice,TS),在一个时帧(TimeFrame,TF)内哪个时片发射信号由扩频码序列去控制,即用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。由于采用很窄的时片发送信号,相对来说,信号的频谱也就展宽了。
跳变扩频示意图
图2-33     跳变扩频示意图
 
图2-34所示为时间跳变扩频电路原理图,PN码发生器直接控制PA的启动开关,只有当到达发射时片时,导通PA,这时调制好的射频信号通过天线发射出去,其他时间关闭PA,没有信号发出。
图2-34时间跳变扩频电路原理图
       在发端,输入的数据先存储起来,由扩频码发生器的扩频码序列去控制通-断开关,经二相或四相调制后再经射频调制后发射。在收端,由射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通-断开关,再经二相或四相解调器,送到数据存储器和再定时后输出数据。只要收发两端在时间上严格同步进行,就能正确地恢复原始数据。
       THSS的处理增益等于一帧中所分的时片数。THSS抗干扰是指降低信号被敌方发现、识别的概率,以及时间上与敌方脉冲干扰重合的概率。这种概率越小,抗干扰能力越强。由于简单的跳时抗干扰性不强,很少单独使用。跳时通常都与其他方式结合使用,组成各种混合方式。UWB就是一种特殊的时间跳变扩频系统。
4)宽带线性调频扩频
        宽带线性调频扩频(Chirp Modulation),简称Chirp。如果发射的射频脉冲信号在一个周期内,其载频的频率做线性变化,则称为线性调频。因为其频率在较宽的频带内变化,信号的频带也被展宽了。这种扩频调制方式主要用在雷达中,也是LoRa调制的基础,2.3节会详细介绍。
5)混合方式
       上述几种基本扩频系统各有优缺点,单独使用一种系统有时难以满足要求,将以上几种扩频方法结合就构成了混合扩频系统,常见的有FH/DS、TH/DS、FH/TH等。
       表2-2所示为常见的三种扩频技术DS、FH、TH的优缺点总结对比。
表2-2   不同混合扩频方式优缺点对比

不同混合扩频方式优缺点对比

3.扩频通信中的重要参数

1)频谱效率
       频谱效率(SpectralEfficiency)是传输的码率(单位:b/s)与数字信号所占的频谱(单位:Hz)之比,即单位频谱内的码元速率称为频谱效率。
       例如,GSM标准规定200kHz信道的传输码率280kb/s,其频谱效率为1.4b/s/Hz。在2.1节中介绍的常用二进制调制技术中,BPSK和OOK的频谱效率等于1,而2FSK的频谱效率小于1。在扩频通信系统中,经常遇到频谱效率远小于1的情况。
【例2-1】计算LoRa系统采用扩频因子SF=5和SF=12时的频谱效率是多少?
       解:在LoRa系统中,频谱效率与自身选择的带宽无关,只是与扩频因子相关。
       SF=5时的频谱效率=5/25=0.156b·s-1·Hz-1。
       SF=12时的频谱效率=12/212=0.0029b·s-1·Hz-1。
       可以看到LoRa系统中最高的频谱效率为0.156b·s-1·Hz-1,最低的频谱效率为0.0029b·s-1·Hz-1。
2)处理增益
       处理增益又叫扩频增益(SpreadingGain),扩频增益Gp为频谱扩展后的信号带宽B与频谱扩展前的信息带宽△F之比:
       在扩频通信系统中,接收机做扩频解调后,只提取伪随机编码相关处理后的带宽为△F的信息,而排除宽频带B中的外部干扰、噪声和其他用户的通信影响。
        处理增益Gp反映了扩频通信系统信噪比改善的程度,因此也可定义为接收相关处理器输出与输入信噪比的比值,即
        这里须注意一点,处理增益只有在解扩之后才能获得。
        下面举两个例子,分别针对LoRa和NB-IoT计算一下它们的处理增益是多少。
       【例2-2】一个LoRa系统在传输一组数据,其占用带宽为125kHz,采用SF7扩频传输的数据流速率约为5.5kb/s,计算这个LoRa系统的处理增益。
       解:已知LoRa系统的△F=5.5kb/s,带宽B=125kHz,根据式(2-16),这个LoRa系统的处理增益为
Gp=125kHz/5.5kb/s=25≈13.7dB
        这13.7dB的处理增益可以认为是通过带宽换信噪比。简单理解为通过SF7扩频后,LoRa的灵敏度提高了13.7dB。
      【例2-3】已知NB-IoT最大可支持下行2048次重传,上行128次重传,求NB-IoT上、下行信道最大处理增益是多少?LoRa的最大处理增益是多少?
        解:根据式(2-16),NB-IoT的上行处理增益Gpup和下行处理增益Gpdown为:
                                              Gpup=128/1=21dB
                                             Gpdown=2048/1=30dB
         LoRa最大处理增益发生在SF=12时,如采用125kHz带宽,速率为293b/s,根据式(2-16),LoRa的最大处理增益        GpLoRa=125kHz/293b/s≈26.3dB。
       在上述的计算中,并不是处理增益Gp可以百分百地转化为解调灵敏度,处理增益与系统灵敏度的关系与系统的扩频解扩和调制解调方法相关,设计最优时可以实现处理增益的增加等于灵敏度的提升。例如,单纯地重复用时间换信噪比的方式虽然处理增益高,但是带来的实际灵敏度增加并不会那么高,3.1.1小节中有关于灵敏度和处理增益的讨论。
3)干扰容限
干扰容限是扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力,定义为
      式中,Ls为系统内部损耗为系统正常工作时要求的(解扩器)最小输出信噪比(解调前要求的对应于一定误码率的S/N),3.1.1小节中有关于的详细讨论。
      扩频通信系统的抗干扰能力用干扰容限来衡量,一旦系统中的干扰大于Mj,系统将受到干扰。从现有的扩频通信系统干扰来看,扩频通信系统的抗干扰能力是有一定限度的。

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