MATLAB实现LoRa调制解调全流程

LoRa信号调制与解调的MATLAB实现

LoRa（Long Range）是一种基于扩频技术的低功耗广域网通信技术。以下将分别介绍LoRa的调制、解调、收发实现及波形显示的完整MATLAB代码实现。

LoRa调制实现

LoRa调制采用 chirp扩频技术，通过频率线性变化的信号实现。核心参数包括带宽（BW）、扩频因子（SF）和采样率（Fs）。

function [signal, t] = lora_modulation(symbols, SF, BW, Fs)
    num_symbols = length(symbols);
    Ts = 2^SF / BW;  % 符号周期
    t = 0:1/Fs:Ts-1/Fs;  % 时间向量
    
    signal = [];
    for i = 1:num_symbols
        symbol = symbols(i);
        chirp = exp(1j * 2 * pi * ( -BW/2 * t + (BW/(2*Ts)) * t.^2 ) );
        freq_shift = exp(1j * 2 * pi * (symbol / (2^SF)) * BW * t);
        modulated = chirp .* freq_shift;
        signal = [signal, modulated];
    end
end

LoRa解调实现

LoRa解调通过计算接收信号与本地chirp的相关性实现。

function [decoded_symbols] = lora_demodulation(signal, SF, BW, Fs)
    Ts = 2^SF / BW;
    t = 0:1/Fs:Ts-1/Fs;
    num_symbols = length(signal) / length(t);
    
    decoded_symbols = zeros(1, num_symbols);
    for i = 1:num_symbols
        segment = signal( (i-1)*length(t)+1 : i*length(t) );
        dechirp = exp(-1j * 2 * pi * ( -BW/2 * t + (BW/(2*Ts)) * t.^2 ) );
        mixed = segment .* dechirp;
        fft_result = abs(fft(mixed));
        [~, idx] = max(fft_result);
        decoded_symbols(i) = idx - 1;
    end
end

发送端完整实现

发送端包括数据生成、LoRa调制和信道模拟。

SF = 7;  % 扩频因子
BW = 125e3;  % 带宽 (Hz)
Fs = 1e6;  % 采样率 (Hz)

% 生成随机数据
data = randi([0, 2^SF-1], 1, 10);

% LoRa调制
[tx_signal, t] = lora_modulation(data, SF, BW, Fs);

% 添加噪声
SNR = 20;  % 信噪比 (dB)
rx_signal = awgn(tx_signal, SNR, 'measured');

接收端完整实现

接收端处理包括信号接收、LoRa解调和数据恢复。

% LoRa解调
decoded_data = lora_demodulation(rx_signal, SF, BW, Fs);

% 显示结果
disp('原始数据:');
disp(data);
disp('解调数据:');
disp(decoded_data);

波形显示实现

可视化发送信号、接收信号和解调结果的频谱。

% 发送信号时域波形
figure;
subplot(3,1,1);
plot(real(tx_signal(1:length(t))));
title('发送信号 (时域)');
xlabel('样本点');
ylabel('幅度');

% 接收信号时域波形
subplot(3,1,2);
plot(real(rx_signal(1:length(t))));
title('接收信号 (时域)');
xlabel('样本点');
ylabel('幅度');

% 频谱分析
subplot(3,1,3);
NFFT = 2^nextpow2(length(t));
f = Fs/2 * linspace(0,1,NFFT/2+1);
fft_tx = abs(fft(tx_signal(1:length(t)), NFFT));
plot(f, fft_tx(1:NFFT/2+1));
title('发送信号频谱');
xlabel('频率 (Hz)');
ylabel('幅度');

完整系统测试

将上述组件整合为完整的LoRA通信系统测试。

% 参数设置
SF = 7;
BW = 125e3;
Fs = 1e6;
num_symbols = 10;

% 生成数据
data = randi([0, 2^SF-1], 1, num_symbols);

% 调制
[tx_signal, t] = lora_modulation(data, SF, BW, Fs);

% 信道
SNR = 15;
rx_signal = awgn(tx_signal, SNR, 'measured');

% 解调
decoded_data = lora_demodulation(rx_signal, SF, BW, Fs);

% 性能评估
ber = sum(data ~= decoded_data) / num_symbols;
disp(['误码率: ', num2str(ber)]);

关键函数说明

1. lora_modulation函数实现LoRa调制，生成频率线性变化的chirp信号。
2. lora_demodulation函数通过FFT分析实现符号解调。
3. 波形显示部分提供了时域和频域的直观分析。
4. 系统测试部分展示了从数据生成到性能评估的完整流程。

此实现可根据实际需求调整参数，如扩频因子、带宽和采样率，以适应不同的应用场景。噪声水平可通过SNR参数控制，用于评估系统在不同信道条件下的性能。