LoRa 的擴頻技術
LoRa 是一種基於擴頻的調製方式，通過擴頻把信號擴展到帶寬較寬的噪聲中，獲得擴頻增益。
擴頻概念及原理
擴頻通信（SSC），即擴展頻譜通信技術（SpreadSpectrumCommunication），它的基本特點是其傳輸信息所用信號的帶寬遠大於信息本身的帶寬。增加信號帶寬可以降低對信噪比的要求，當帶寬增加到一定程度，允許信噪比進一步降低。擴頻通信
就是用寬帶傳輸技術來換取信噪比上的好處，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據。
擴頻技術即是將信息信號的帶寬擴展很多倍進行通信的技術。傳輸信號帶寬遠大於信息信號的帶寬。例如，傳輸一個64Kbps 的數據流，其基帶帶寬只有64KHz 左右，但用擴頻技術傳送時，它所佔據的信道帶寬可以被擴展到5MHz，10MHz，甚至更大。與此同時，發射到空間的無線電功率譜（單位帶寬內具有的功率），也將大大的降低。
常規的數字數據通信原理是使用與數據速率相適應的儘可能小的帶寬。這是因爲帶寬數是有限的，而且有很多的用戶要分享。擴頻通信的原理是儘可能使用最大帶寬數,同樣的能量在一個大的帶寬上傳播。這裏擴頻帶寬的很小部分與常規無線信號相干擾，但常規無線信號不影響擴頻信號，這是因爲兩者相比常規信號帶寬很窄。
擴頻通信，即擴展頻譜通信技術（Spread Spectrum Communication），它的基本特點是其傳輸信息所用信號的帶寬遠大於信息本身的帶寬。除此以外，擴頻通信還具有如下特徵:
- 是一種數字傳輸方式；
- 帶寬的展寬是利用與被傳信息無關的函數(擴頻函數)對被傳信息進行調製實現的；
- 在接收端使用相同的擴頻函數對擴頻信號進行相關解調，還原出被傳信息。
根據香農(C.E.Shannon)在信息論研究中總結出的信道容量公式，即香農公式：
C = W×Log2(1+S/N)
式中：C--信息的傳輸速率S--有用信號功率W--頻帶寬度N--噪聲功率
由式中可以看出：
爲了提高信息的傳輸速率 C，可以從兩種途徑實現，既加大帶寬W 或提高信噪比S/N。換句話說，當信號的傳輸速率C 一定時，信號帶寬W 和信噪比S/N 是可以互換的，即增加信號帶寬可以降低對信噪比的要求，當帶寬增加到一定程度，允許信噪比進一步降低，有用信號功率接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也是可能的。擴頻通信就是用寬帶傳輸技術來換取信噪比上的好處，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據。
擴頻通信系統由於在發送端擴展了信號頻譜，在接收端解擴還原了信息，這樣的系統帶來的好處是大大提高了抗干擾容限。理論分析表明，各種擴頻系統的抗干擾性能與信息頻譜擴展後的擴頻信號帶寬比例有關。一般把擴頻信號帶寬W 與信息帶寬△F 之比稱爲處理增益GP，即：
它表明了擴頻系統信噪比改善的程度。除此之外，擴頻系統的其他一些性能也大都與GP 有關。因此，處理增益是擴頻系統的一個重要性能指標。
系統的抗干擾容限 MJ 定義如下：
式中：（S/N）。= 輸出端的信噪比，LS = 系統損耗
由此可見，抗干擾容限MJ 與擴頻處理增益GP 成正比，擴頻處理增益提高後，抗干擾容限大大提高，甚至信號在一定的噪聲湮沒下也能正常通信。通常的擴頻設備總是將用戶信息(待傳輸信息)的帶寬擴展到數十倍、上百倍甚至千倍，以儘可能地提高處理增益。
頻譜的擴展是用數字化方式實現的。在一個二進制碼位的時段內用一組新的多位長的碼型予以置換，新碼型的碼速率遠遠高出原碼的碼速率，由傅立葉分析可知新碼型的帶寬遠遠高出原碼的帶寬，從而將信號的帶寬進行了擴展。這些新的碼型也叫僞隨機（PN）碼，碼位越長系統性能越高。通常，商用擴頻系統PN 碼碼長應不低於12 位，一般取32 位，軍用系統可達千位。
目前常見的碼型有以下三種：
- M 序列，即最長線性僞隨機系列；
- GOLD 序列；
- WALSH 函數正交碼。
當選取上述任意一個序列後，如M 序列，將其中可用的編碼，即正交碼，兩兩組合，並劃分爲若干組，各組分別代表不同用戶，組內兩個碼型分別表示原始信息"1" 和"0"。系統對原始信息進行編碼、傳送，接收端利用相關處理器對接收信號與本地碼型相關進行相關運算，解出基帶信號( 即原始信息)實現解擴，從而區分出不同用戶的不同信息。微波無線擴頻通信的原理見圖1：
由圖可見，一般的無線擴頻通信系統都要進行三次調製。一次調製爲信息調製，二次調製爲擴頻調製，三次調製爲射頻調製。接收端有相應的射頻解調，擴頻解調和信息解調。根據擴展頻譜的方式不同，擴頻通信系統可分爲：直接序列擴頻（DS）、跳頻（FH）、跳時（TH）、線性調頻以及以上幾種方法的組合。
所謂直接序列擴頻（DS-Direct Scquency），就是用高碼率的擴頻碼序列在發端直接去擴展信號的頻譜，在收端直接使用相同的擴頻碼序列對擴展的信號頻譜進行解調，還原出原始的信息。直接序列擴頻的頻譜擴展和解擴過程見下面2 圖所示：
在圖上我們可以看出：
在發端，信息碼經碼率較高的 PN 碼調製以後，頻譜被擴展了。在收端，擴頻信號經同樣的PN 碼解調以後，信息碼被恢復；
信息碼經調製、擴頻傳輸、解調然後恢復的過程，類似與PN 碼進行了二次"模二相加"的過程。
在以下的圖 4 中我們還可以用能量面積圖示概念看出：
待傳信息的頻譜被擴展了以後，能量被均勻地分佈在較寬的頻帶上，功率譜密度下降；
擴頻信號解擴以後，寬帶信號恢復成窄帶信息，功率譜密度上升；
相對與信息信號，脈衝干擾只經過了一次被模二相加的調製過程，頻譜被擴展，功率譜密度下降，從而使有用信息在噪聲干擾中被提取出來。
傳輸速率和距離
傳輸速率是系統設計中一個關鍵的可變因素，它將決定整個系統整體性能的很多屬性。無線傳輸距離由接收機靈敏度和發射機輸出功率共同決定，兩者之間的差值我們稱之爲鏈路預算。輸出功率受限於標準規範，所以只有通過提高靈敏度來增加距離，而靈敏度又受數據速率非常重要的影響。對所有的調製方式來說，越低的速率，接收機的帶寬越窄，接收靈敏度就越高。在現今高性價比無線收發機中應用最廣泛的調製方式是FSK 或者GFSK。要進一步減小FSK 系統的接收機帶寬，唯一可行的辦法就是提高參考晶體的精確度。雖未經檢驗過但可以預見，這很容易就會產生比接收機帶寬更寬的頻率偏差。低成本的晶體一般只有20ppm 的精度，這將限制使用載波頻率爲868MHz 或915MHz 系統的最大數據傳輸速率在20kbps，靈敏度在-112dBm。使用溫補晶振可以獲得更高的靈敏度，但是溫補晶振的價錢將是普通晶體的三倍。
擴頻調製方式在其他領域應用了很多年，之前未使用於低成本的傳感網絡方案。在等同的數據速率條件下，商用的低成本擴頻調製方式可以獲得比傳統FSK 調製方式高8-10dB 的靈敏度。升特(Semtech)公司將推出一款新的收發機，這款收發機集成了一種名爲LoRa 的擴頻調製方式和傳統的GFSK 調製方式。圖中展示了在GFSK 調製和LoRa 擴頻調製兩種系統中靈敏度相對數據速率的關係曲線。
有些擴頻調製方式對晶體引起的頻率偏差更不敏感，這類接收機在125kHz 的帶寬下使用低成本的20ppm 的晶體時獲得接近-140dBm 的靈敏度。與FSK 系統相比，使用同樣低成本的晶體時這種新的擴頻方式在靈敏度上改善了30dB，理論上相當於增加了5 倍的傳輸距離。通過降低速率獲得最大傳輸距離和要求最長的電池壽命之間是相互衝突的。數據速率決定了空中傳輸時間，越高的傳輸速率，系統發射或接收將花費越少的時間。100kbps 的系統大約只需要50kbps 的系統的傳輸時間的一半。更快的速率可以使更多的節點在無競爭衝突下在同一區域共存，但這將降低接收靈敏度和傳輸距離。每一種接收機都會提供多種工作和休眠的模式，且不同模式下的功耗是不同的。各節點收發佔空比將決定哪些模式會對功耗產生最大的影響。例如，如果一個節點頻繁地處於接收狀態，那接收電流就非常重要。同理，如果一個節點每天只發射一次，那睡眠電流就是最重要的因素。
爲什麼使用擴頻
使用擴頻可以減少誤碼率，即信噪比。就是擴頻時的數據每一位都和擴頻因子相乘。例如有一個1 bit需要傳送，當擴頻因子爲1 時，傳輸的時候數據1 就用一個1 來表示，擴頻因子爲6 時（有6 位）111111，這111111 就來表示1，這樣乘出來每一位都由一個6 位的數據來表示，也就是說需要傳輸總的數據量增大了6 倍。
這樣擴頻後傳輸可以降低誤碼率也就是信噪比，但是在同樣數據量條件下卻減少了可以傳輸的實際數據，所以，擴頻因子越大，傳輸的數據數率（比特率）就越小。擴頻因子越小，傳輸速率越大。
擴頻因子還有另一個用途，那就是正交碼（OVSF:OrthogonalVariableSpreadingFactor，正交可變擴頻因子），通過OVSF 可以獲得正交的擴頻碼，擴頻因子爲4 時有4 個正交的擴頻碼，正交的擴頻碼可以讓同時傳輸的無線信號互不干擾，也就是說，擴頻因子爲4 時，可以同時傳輸4 個人的信息。
語音和數據業務傳輸的數率要求不一樣，所以他們擴頻因子不一樣。
擴頻因子 SpreadingFactor(SF)
擴頻因子用途(信道化碼：OVSFcodes)
上行：在同一 UE 進行多碼道傳輸時，區分不同的物理信道；
下行：區分同一小區下的不同物理信道；
例如：
採用 LoRa 擴頻傳輸技術433MHz 模塊SX127x，傳輸距離與穿透能力相比於傳統FSK,GFSK 等有0.5-0.8 倍的提升，每種可選速率選用不同的擴頻因子，擴頻因子降1，速率降低約一半。帶寬增加一倍，速率相應增加約一倍，但擴頻因子、速率、佔用帶寬並非完全線性比例關係：
可選速率/擴頻因子/佔用帶寬：0.81K/10/125K,1.46K/9/125K,2.6K/8/125K,4.56K/7/125K,9.11K/7/250K,18.23K/7/500K。
擴頻通信的優點：
1.發射功率密度低，不易對其他設備造成干擾。
2.保密性高，被截獲的可能性極低。
3.抗干擾能力強，對同頻干擾及各種噪聲具有極強的抑制能力。
4.具有極好的抗多徑衰落性能。