LoRa收发系统实现与MATLAB分析

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#算法 #matlab

LoRa收发系统实现概述

LoRa（Long Range）是一种低功耗广域网通信技术，基于线性调频扩频（CSS）调制。MATLAB可实现LoRa的基带信号生成、解调及测试分析，配合信号发生器进行硬件验证。

LoRa信号生成函数

以下代码生成LoRa基带信号，参数包括带宽（BW）、扩频因子（SF）、采样率（Fs）和符号数（num_symbols）。

function [signal, t] = generate_lora_signal(BW, SF, Fs, num_symbols)
    % 参数设置
    T = 2^SF / BW;          % 符号持续时间
    t_symbol = 0:1/Fs:T-1/Fs;  % 单个符号时间轴
    signal = [];
    
    % 生成每个LoRa符号
    for i = 1:num_symbols
        symbol = randi([0, 2^SF-1]);  % 随机符号值
        chirp = exp(1j * 2*pi * (BW/T * t_symbol.^2 / 2 - BW/2 * t_symbol)); % 上扫频
        signal = [signal, chirp .* exp(1j * 2*pi * symbol / 2^SF * BW * t_symbol)]; % 频偏
    end
    
    t = 0:1/Fs:length(signal)/Fs-1/Fs; % 完整时间轴
end

调用示例：

BW = 125e3;      % 带宽125 kHz
SF = 7;          % 扩频因子7
Fs = 1e6;        % 采样率1 MHz
num_symbols = 5; % 5个符号
[tx_signal, t] = generate_lora_signal(BW, SF, Fs, num_symbols);

LoRa信号解调函数

解调通过匹配滤波和FFT峰值检测实现：

function decoded_symbols = demodulate_lora_signal(signal, BW, SF, Fs)
    T = 2^SF / BW;                  % 符号持续时间
    samples_per_symbol = T * Fs;    % 每符号采样数
    num_symbols = floor(length(signal) / samples_per_symbol);
    decoded_symbols = zeros(1, num_symbols);
    
    % 生成理想下扫频参考信号
    t_ref = 0:1/Fs:T-1/Fs;
    ref_chirp = exp(-1j * 2*pi * (BW/T * t_ref.^2 / 2 - BW/2 * t_ref));
    
    % 分段解调
    for i = 1:num_symbols
        start_idx = (i-1) * samples_per_symbol + 1;
        end_idx = i * samples_per_symbol;
        symbol_signal = signal(start_idx:end_idx);
        
        % 去斜处理
        dechirped = symbol_signal .* ref_chirp;
        
        % FFT检测频偏
        fft_result = abs(fft(dechirped));
        [~, peak_idx] = max(fft_result(1:2^SF));
        decoded_symbols(i) = peak_idx - 1; % 符号值
    end
end

调用示例：

decoded_symbols = demodulate_lora_signal(rx_signal, BW, SF, Fs);
disp('Decoded Symbols:'); disp(decoded_symbols);

信号发生器硬件测试配置

发送端配置：
- 将MATLAB生成的基带信号导出为.wav文件：
```
audiowrite('lora_signal.wav', real(tx_signal), Fs);
```
- 通过信号发生器（如Keysight MXG）加载该文件并设置载波频率（如868 MHz）。
接收端配置：
- 使用频谱分析仪捕获信号，保存为.iq文件后导入MATLAB。
- 或通过SDR（如USRP）实时接收信号。

波形与频谱分析代码

时域波形绘制：

figure;
plot(t, real(tx_signal));
xlabel('Time (s)'); ylabel('Amplitude');
title('LoRa Transmit Signal (Time Domain)');

频谱分析：

figure;
fft_len = 2^nextpow2(length(tx_signal));
f = (-Fs/2:Fs/fft_len:Fs/2-Fs/fft_len) / 1e3; % kHz
spectrum = abs(fftshift(fft(tx_signal, fft_len)));
plot(f, 10*log10(spectrum));
xlabel('Frequency (kHz)'); ylabel('Power (dB)');
title('LoRa Signal Spectrum');