浅析 LoRa 通信技术原理

[coldowl]

电磁波携带信息，本质上就是对正弦波（载波）的三个基本特征进行“操控”，从而把数据“写”进去。

1. 定义一个正弦波靠什么？

任何正弦波都可以用下面这个公式完全描述：

$$ s(t) = A \sin(2\pi f t + \phi) $$

• 幅度（Amplitude）A：波的高度
• 频率（Frequency）f：1秒钟振荡几次（Hz）
• 相位（Phase）φ：波在t=0时刻的“起始角度”

调制（Modulation） 就是让 A、f、φ 随时间按信息规律变化，从而把 0/1 或模拟信号“刻”在载波上。

2. 调制方式

• OOK（On-Off Keying）：最原始的数字调制。早期无线电报用的CW（Continuous Wave）键控（摩尔斯电码就是它）。

  • 有载波（A>0）→ 1
  • 无载波（A=0）→ 0

• AM（幅度调制）：固定f和φ，只改A 。 收音机里最常见，容易受噪声影响。

$$ s(t) = [A_c + m(t)] \sin(2\pi f_c t) （m(t)是音频信号） $$

• FM（频率调制）：固定A和φ，只改f 。抗噪能力强（噪音主要影响幅度），所以广播、卫星常用FM。

$$ s(t) = A_c \sin\left(2\pi f_c t + 2\pi k_f \int m(\tau) d\tau \right) $$

• PM（相位调制）：改φ，也常用在数字通信中（PSK）。

3. LoRa到底是什么？

LoRa 不是一种新的“波形”，而是一种调制解调技术（Chirp Spread Spectrum，CSS）。

• 它把信息编码在线性扫频的chirp波上（频率随时间线性上升或下降）
• 每个chirp的起始相位和频率斜率携带信息
• 属于扩频调制：故意把信号“拉宽”几十倍带宽，换来超强抗干扰和超远距离

所以LoRa就是调制解调的一种新方式（具体是物理层PHY技术），常搭配LoRaWAN协议用。

4. 无线通信里的“不可能三角”

无线通信里永远绕不开这个铁律（本质来自香农公式）：

$$ C = B \log_2\left(1 + \frac{P \cdot G}{N_0 B}\right) $$

• 功率（Power） ↑ → 距离↑
• 速率（Rate） ↑ → 需要更大带宽或更高信噪比 → 功率或距离要牺牲
• 距离（Distance） ↑ → 需要更低速率或更高功率

LoRa的定位正好卡在 “低功率 + 超远距离” 这一角：

• 功率：只有10~20mW（甚至更低），电池能用几年
• 距离：城市几公里，郊区/农村10~20公里（视天线）
• 速率：0.3~50 kbps（极低）→ 所以只适合偶尔传几个字节的传感器数据（温度、湿度、开关状态等）

所以 LoRa 被物联网（IoT）疯狂追捧：不需要高带宽，但要活得久、传得远。

小结对比表

技术	主要调制参数	典型速率	距离	功耗	典型应用
OOK/CW	幅度	极低	短	极低	无线门铃、无线电报
AM/FM	幅度/频率	音频级	中	中	广播、对讲机
WiFi/4G	幅度+相位+正交	Mbps~Gbps	短~中	高	手机、电脑
LoRa	频率扫频+相位	0.3~50kbps	极远	极低	物联网传感器