CSS扩频技术传输性能优异 实现更远距离的无线通信
CSS技术并非是一种新的技术。在自然界里，Chirp脉冲就为海豚和蝙蝠等生物所用。20世纪40年代Hüttmann教授发明了雷达应用专利，后由Sidney Darlington进一步将CSS技术引入雷达系统创造性地开发了脉冲压缩（Chirp）雷达。自1997年以来人们开始研究将CSS技术应用于商业的无线数据传输。后来，IEEE 802.15.4标准将CSS指定为了一种用于低速率无线个人局域网（LR-WPAN）的技术，实现了数据速率可扩展性、远距离、更低功耗和成本，其与差分相移键控调制（DPSK）等技术相结合，可以实现更好的通信性能。CSS技术使用了其全部分配带宽来广播信号，从而使其对信道噪声具有一定的鲁棒性。CSS技术在非常低的功率下也能够抵抗多径衰落，非常适用于要求低功耗和较低数据速率的应用场景。CSS技术的低成本、低功耗、远距离以及数据速率的可扩展性等特性为产品商业化应用提供了现实的可能。
从CSS技术应用情况来看，德国Nanotron公司使用CSS技术在2.4GHz频段上实现了570米的距离通信。美国Semtech公司的LoRa产品使用CSS技术在Sub-1GHz频段上实现了几公里，甚至几十公里的距离通信。
CSS技术通信距离远可以在一定范围内实现更大规模的无线连接，大大降低无线接入和组网的成本，组建经济高效的无线广域网络，有助于物联网络规模化部署应用。CSS技术的普及应用将为新兴的非蜂窝广域网络市场的发展注入了新的活力，将会有力地推动行业应用的发展。
非蜂窝广域网络方兴未艾 物联网发展步入规模化应用阶段
低功耗广域网络（Low-Power Wide Area Network, LPWAN）大致可以分为蜂窝和非蜂窝广域网络。蜂窝广域网络是指由运营商建设的基于蜂窝技术的网络，一般是指3GPP主导的物联网标准，代表技术有NB-IoT、LTE-M（eMTC）和EC-GSM-IoT等；非蜂窝广域网络主要是指由企业自主建设使用免许可频段组建的网络，代表技术有SIGFOX、LoRaWAN、ZETA等。也有的提出0G网络，是相对于1G/2G/3G/4G而言，在通信领域一般是指蜂窝移动电话之前的移动电话技术，如无线电话。在物联网领域，0G指的是一个低带宽的无线网络，没有SIM卡、没有流量、低成本接入、远距离通信、传输少量数据的网络，也就是非蜂窝广域网络。非蜂窝广域网络的发展是源于对数据大规模采集和大量设备管理等的需求，并借助互联网技术和平台提升了基于数据的智能化管理水平。物联网市场发展步入规模化应用阶段。目前，非蜂窝广域网络主要应用于市政、园区、水务、消防、物流、家居、电力、社区、工厂、农业、环境等领域。
不同网络技术示意图
实际上，非蜂窝广域网络和蜂窝广域网络相互之间是一种相互依存互为补充的关系。一般地，非蜂窝广域网络都是通过网关（或称为集中器，或称为基站）连接到互联网，而网关连接到互联网的方式一般是有线或蜂窝网络等公网，最终还是要走公网的管道，毕竟有线和蜂窝网络是广泛存在的基础性网络。另一方面，传感器或设备多是基于微控制器（MCU）的，受其资源限制，仅可运行轻量的简单通信协议或定制化通信协议，通过网关转换成互联网协议（IP），网关起到了非蜂窝广域网络和互联网连接器的作用。非蜂窝广域网络更是蜂窝网络的拓展延伸。非蜂窝广域网络不同的无线接入技术可以满足物联网实际部署中各种各样无线连接的应用需求，为传感器网络或设备联网提供了灵活的无线接入方式和便捷的网络部署。
非蜂窝和蜂窝技术也可以相互融合。最近有报道称，在手机上集成了无线通信技术，可以在没有蜂窝网络的情况下，实现两机或多机的无线远距离相互通信，并可以实现自组网、定位等功能，这也为非蜂窝广域网络的应用提供了新的应用场景。
同时，非蜂窝网络也在国家电网方面具有非常强劲的发展势头。据最近流传的国家电网《电力设备无线传感器网络节点组网协议》显示，针对电力设备无线传感器网络的组网和传感器接入应用，在物理层协议规范中有对CSS物理层进行了定义，”CSS物理层：工作在470-510MHz或者2400-2483.5MHz频段，采用线性调频扩频（CSS）调制。线性调频扩频（CSS）调制应符合LoRaWAN™ 1.1 Specification 和IEEE Std 802.15.4TM-2015物理层的规定”。随着泛在电力物联网的建设发展，非蜂窝广域网络在泛在电力物联网中将会有着更为广阔的应用场景。除电力市场之外，其他抄表类市场应用，如：水表、气表、燃气表等，也是非蜂窝广域网络重要的典型应用市场。
另外，在一些重要的应用领域里，考虑到数据和安全等方面的因素，需要非蜂窝网络技术将设备接入到专网上，以保障私域网络的数据隐私和安全性。非蜂窝无线技术以其独特的优势在物联网络应用中发挥着重要的作用。
非蜂窝广域网络可以组建无线传感网络，连接和管理一定范围内大量传感器或设备等，也可以成为一种网络基础设施，由专门公司来提供网络服务，或者说是一种物联网络运营服务。在国外物联网运营模式已开始发展，如Sigfox等。而国内情况还处于探索发展阶段，目前主要还是以提供解决方案为主。
低功耗广域网络市场发展前景看好 非蜂窝广域网络预期规模增速明显
根据IHS Markit预测，2017年全球LPWAN连接数量为8753.7万个，预计到2023年可达171698.4万个，2017-2023年复合增长率(CAGR)为64%。其中，除NB-IoT和LTE-M等蜂窝连接之外，非蜂窝广域网络连接数量2017年为8124.8万个，2023年预计可达84443.6万个，2017-2023年复合增长率(CAGR)为48%。到2023年非蜂窝广域网络连接规模占比约为50%，非蜂窝广域网络市场未来具有很大的发展潜力。
射频收发器受市场关注 Sub-1GHz频段更受青睐
一个完整的应用非蜂窝技术的应用图包括感知层、网络层和应用层。其中感知层中的射频收发器主要用于传感器和网关之间的信息交互。
非蜂窝技术系统应用框图
射频收发器是非蜂窝技术组网应用的关键器件，随着非蜂窝广域网络的发展，射频收发器产品越来越受到市场关注。从业界目前非蜂窝广域网络技术应用情况来看， 采用的都是国外半导体公司的射频收发器产品，这些厂商有Semtech、ST、Silicon Labs、TI、NXP、ON等，鲜有国内半导体公司的产品。Semtech公司的LoRa产品在中国市场上得到了很多公司的支持，国内少数公司通过IP授权的方式获得了LoRa IP，提供本地化产品，这些厂商有翱捷（ASR）、国民技术、华普等公司。随着射频收发器市场需求的发展，国内的一些芯片设计公司也开始研究和开发射频收发器产品。最近有报道称，国内上海磐启微电子有限公司推出了基于CSS技术的Chirp-IOT芯片PAN3028，融合了多维信号调制技术解决了频率不连续对射频的影响，提高了接收灵敏度，在射频收发器领域实现了新的技术突破。Chirp-IOT产品的国产化也填补了中国非蜂窝广域网络市场的空白。
由于射频收发器在Sub-1GHz频段上具有良好的无线传输特性，传输距离远、障碍物穿透能力强等，非蜂窝广域网络基本都是采用Sub-1GHz射频收发器组建网络。下面是关于Sub-1GHz射频收发器主要的厂商：
Sub-1GHz射频收发器厂商
万物智联市场快速发展需求大 集成电路设计国产化迎新机遇
中国市场规模大，对集成电路的需求也大，而目前还较多地依赖于集成电路的进口。根据海关统计，2018年中国进口集成电路有4170亿块，进口金额达3107亿美元。据国家统计局的统计显示，我国2018年集成电路产量1739.47亿个，国产集成电路产量不足进口量一半。近些年，国家不断加大对集成电路产业的政策扶持力度，出现了一大批新的集成电路设计公司，集成电路技术水平也在逐步提升。加之近两年中美贸易环境的变化，加速了集成电路国产化的速度。在涉及到国家核心重要应用领域，仍然是强调国产自主可控。这是中国集成电路设计公司一个重要的发展契机，也是非蜂窝广域网络行业一个发展机会。随着万物智联市场的快速发展，中国集成电路设计也将会迎来一波新的发展机遇。
根据半导体行业协会的统计，2018年中国集成电路设计产值为2519.3亿人民币，同比增长21.5%，2009到2018年中国集成电路设计产值年复合增长率（CAGR）为28.7%，集成电路设计产业保持了较高的发展速度。
结语
CSS技术在无线通信方面具有显著的优势，有助于非蜂窝广域网络实现大范围的组网应用。随着物联网市场无线连接需求的不断增长，射频收发器产品越来越受到芯片公司的关注。而国内射频收发器产品厂商少，行业发展还比较薄弱，需要更多的国内射频收发器厂商共同的参与，助力非蜂窝广域网络行业的发展，赋能非蜂窝广域网无线超连接，创新更多的物联网应用。
未来，随着集成电路技术的不断发展，或许会出现更多的新技术、新产品，这也将会大大丰富非蜂窝广域网络生态。“独木不成林”。需要各行各业共同的参与，建立共建共享共荣的良性发展生态。
原文： https://neucrack.com/p/12
LoRa: Long Range的缩写，是一种基于线性调制扩频技术（CSS: chirp spread spectrum)的一种扩频调制技术。
与同类技术相比，提供更长的通信距离,更低的功耗，速率比较低。
调制是基于扩频技术，线性调制扩频（CSS）的一个变种，并具有前向纠错（FEC）特性。
LoRa显著地提高了接受灵敏度(低至-148dBm)，与其他扩频技术一样，使用了整个信道带宽广播一个信号，从而使信道噪声和由于使用低成本晶振而引起频率偏移的不敏感性更健壮。
LoRa可以调制信号19.5dB低于底噪声，而大多数频移键控（FSK）在底噪声上需要一个8-10dB的信号功率才可以正确调制。
先直观地看一下LoRa传输时的波形,下面几张图是我实际抓到的LoRa传输时的波形
EIRP即射频发射功率(dBm)+天线增益（单位dBi)-线路衰减(dB)
ERP即射频发射功率(dBm)+天线增益（单位dBd)-线路衰减(dB)
其中 EIRP(dBm) = ERP(dBm)+2.15
这里引出一个问题，国内在470~510MHz频段要求功率不能超过50mW [17dBm (e.r.p)]，那为什么厂商出厂都标明了芯片或者模块是20dBm呢，这不是超出了限制范围？
芯片或模块的信号还要经过传输线和天线，总所周知，芯片到天线会有插入损耗以及线损等，然后经过天线再增益后才得到最后的空中功率值
请自行看书或搜索学习
如果需要看视频教程，推荐：
视频(中文字幕): hackrf bilibili , 视频(英文): hackrf greatscottgadgets
其它视频： LoRa youtube
首先要了解接收灵敏度和发射功率
接收灵敏度值越低越好，比如-120dBm和-145dBm，-145dBm值更小，我们说接收灵敏度更好。
而经常也会有人说最大灵敏度，这里的大不能理解为值大而知最好灵敏度，这里需要注意，表达时容易混淆。
可以简单理解成 最好接收灵敏度值绝对值+最大发射功率， 更详细解释请自行学习
比如按照 semtech的sx1276手册说明 ，芯片最大功率位20dBm，最大接收灵敏度位-148dBm,所以最大链路预算为168dBm。
首先大家都明白调频( FM )和调幅( AM )，如下图：
up-chirp/down-chirp ：这里chirp是鸟叫声的意思，也正如鸟叫声一样， up-chirp 指频率逐渐增加的过程， down-chirp 则相反是频率逐渐降低的过程。
比如下图就是 up-chirp ，反之如果时间从右往左就是 down-chirp :
通过这种变化过程来表示一个或者多个数据（数值），
比如最简单的 up-chirp 代表1， down-chirp 代表0,；
再复杂一点，从最低频率变化到最高这个过程表示1，从中间频率到最大频率然后跳变到最低频率再变化到中间频率这个过程表示2，从最高变成最低标识3等等。具体表示什么就看具体的应用和标准了。
而LoRa就采用这种调制方式：
带宽 BW (BandWidth):
表示频率最大值减去最小值的差值。
而带宽和信号的传输速率又有着极大的关系，信道带宽与数据传输速率的关系可以奈奎斯特(Nyquist)准则与香农(Shanon)定律描述。如果忘记了可以看 这里 。
所以带宽越大，速率越快,单位是Hz
码片 ：通过扩频技术，将一个数据位用很多码片来表示。
一个完整的扫频信号（sweep signal)可以被称为一个符号，如下图中需黄色虚线部分的黑色实线称为为一个符号:
就像前面说的， 这样一个chirp信号可以用来表示一个或者多个数据（数值），在LoRa调制中，一个符号代表的数据内容长度由扩频因子决定，扩频因子含义见后面阐述。
前面说了使用扩频技术用多个码片来代表1个数字信号中的数据位（即我们真实想传输的数据），我们将一个符号分成2^SF个单元，这个单元即为前面说的码片（chips），来表示SF个数据位（注意不是1个数据位或者1个字节），SF即扩频因子。
这里即我们用了 2^SF/SF 个码片来表示一个实际的位。如果SF越大，因为用来表示这个位数据的码片多了，抗干扰能力自然就会好很多；而由于代表每个符号的码片增加了，单位时间传输码片数量是定了的，因此需要的时间自然就增加了。
综上，扩频因子值越小速率越高，抗干扰性越低，传输距离越近。
在semtech的LoRa芯片中，SF取值6~12,6为特殊值
LoRa使用了向前纠错技术，传输的数据有一部分需要拿来纠错，在实际发送的长度为SF指定的长度中，实际传输的数据只有一部分即CR（CR的取值是一个小于1的分数，而semtech的lora的数据手册上为了简化寄存器，有几个CR值分别用1~4来表示4/5～4/8，不要弄混淆了），其它的用来纠错的数据。
比如SF8发送了8个字节，但是由于有向前纠错技术，这8个字节中的一部分需要拿来做这个事情，比如这里CR设置4/5，其中有1/5的数据为纠错数据，实际发送的有效数据内容只有8*4/5字节，如下图：
所以CR值越大（4/5>4/8)，则实际一个符号中的有效数据更少，所以速率也就更低，但是鲁棒性会更好
然后传输时间相加 Tpreamble + Tpayload 即为传输时间
这里放 一张网友手算的图 ：
当然，有现成的计算工具，semtech官方也提供了工具
了解了以上的知识，再回头来看看实际捕捉到的波形图（瀑布图）
如上面瀑布图所示，纵轴是时间轴，横轴是频率。
可以看到传输数据时在一周期T内频率会从某个起点均匀变化（增大或减小）直到设置的带宽的临界值，然后跳变为最小或者最大值继续变化直到频率变为起始时的频率，即前面说的 up-chirp 或者 down-chirp ，而实际也可以看到，除了有(2+1/4)个符号使用了 down-chirp ，其它的都是使用的 up-chirp 。
在这张瀑布流图中可以清晰地看到preamble和sync word，前12+1/4个符号可以看到有清晰的规则，其中前8个up-chirp是preamble，中间两个up-chirp是sync word,外加后面（2+1/4）个down-chirp的符号， 然后后面跟的数据就是header和payload了，由于数据不像preamble那样规则这里就不分析了。
1301可以同时监听8个上行通道，每个通道可以同时监听6个正交扩频因子SF7~SF12，这也就是文档中说的多大49个虚拟通道的来源，但是需要注意的是，虽然每个通道可以同时监听6个SF，但同一时刻也只能处理一个信号，比如同时来自SF7和SF12的消息也只能处理其中一个。
也就是说1301的上行也就能同时处理8个通道（频率范围），那可能就会想到如果我用8个SX1276是不是就可以替代1301了，事实上也是不行的，因为1301每个通道都能检测6个SF通道，虽然同一时刻只能处理其中一个，但是1276/1278是不能做到这点的，SX1276/8同一时刻只能检测一个SF信道。sx1301这个特性的好处就是因为检测到多个SF信道，因此可以很容易做速率自适应（ADR），而如果采用SX1276/78因为同时只能监听一个确定的SF的通道（即SF值和频率均确定为一个），要做到相对来说就更困难。
