香港码哥三码中特

详解无线通信原理和LoRa扩频通信技术

时间:2019-07-03 来源:本站原创 作者:admin

  当人类进入了无线通信时代,我们的生活发生了巨大的改变。无线通信具有一些天生优势,我们常说一个模拟信号代表的就是一个连续变化电磁波,一个数字信号就是代表一个电压脉冲序列,计算机局域共享则是典型的数字数据通过数字信号传输。通信信号最大的问题就是噪声,因为噪声会影响数字位,今天我们来了解一下它的具体原理。

  1901年,古列尔默。马可尼把长波无线电信号从Cornwall(康沃尔,位于英国的西南部)跨过大西洋传送到3200公里之外的Newfoundland(加拿大的纽芬兰岛),至此人类进入了无线多年来,无线技术的发展为人类带来了无线电、电视、移动电线年,最让人们深刻感受的是移动通信,手机几乎成为人们的一个器官,用它便捷接入Internet。

  无线通信具有一些天生优势:投入成本低,扩展灵活性大,跨越空间阻碍。我们推测以下将成为未来的趋势:

  l 市电供电的设备(电视机、音响等)采用诸如UWB之类的高速短距离无线,

  更大胆的推测是,随着生物识别技术、大容量储能和柔性屏幕材料突破,显示和通信将会无处不在,手机可以会消失,付款按指纹即可。

  是时候,让我们一起揭开无线通信的神秘面纱,了解下原理,接触一个即将来临身边的微功率无线通信。

  在通信系统中,我们需要弄清模拟和数字的关系:一个模拟信号就是一个连续变化的电磁波,一个数字信号是一个电压脉冲序列。看一个实例,下图选自经典教材《无线通信与网络(第二版)》,电话通信是典型的模拟数据(声波)通过模拟信号传输;家庭宽带拔号上网是典型的数字数据(计算机只能处理数字信号)通过模拟信号(由“猫”完成调制)传输,同时模拟信号也可以转换成数字信号(由“猫”完成解调);计算机局域共享则是典型的数字数据通过数字信号传输。

  通信信号的第一个“敌人”是噪声,如下图所示,噪声会影响数字位,足以将1变为0,或将0变为1。

  无线信号除直线传播外,因为阻碍物的存在,还会发现如下图所示的3种传播机制:反射(R)、散射(S)和衍射(D),因为传输路径的不同而引起多径衰退是无线通信的一个挑战。

  因为电磁波是连续的模拟信号,无线通信中数字数据都需要调制成模拟信号,常见的方法有:ASK(幅移键控)、FSK(频移键控)和PSK(相移键控),如下图所示。

  1944年,好莱坞26岁女影星HedyLamarr(号称世界上最美丽的女人)发明了扩频通信技术,这种跳频技术可以有效地抗击干扰和实现加密。

  后来人们发现,扩频技术可以得到如下收益:从各种类型的噪声和多径失真中获得免疫性;得到信噪比的增益。换句话说,使用扩频通信抗干扰性更强,通信距离更远。CDMA和WiFi都使用了扩频技术。

  扩频调制的示意图如下所示,用户数据的原始信号与扩展编码位流进行XOR(异或)运算,生成发送信号流,这种调制带来的影响是传输信号的带宽有显著增加(扩展了频谱)。

  当然扩频技术也不是万能的,它至少有2个弊端:扩展编码调制生成更多片的数据流导致通信数据率下降;较复杂的调制和解调机制。

  长期以来,要提高通信距离常用的办法是提高发射功率,同时也带来更多的能耗。电池供电的设备(如水表)一般只能使用微功率无线通信,这样一来就限制了其通信距离。现在,SemTech公司推出的LoRa射频,因为采用了扩频调制技术,从而在同等的功耗下取得更远的通信距离。

  2013年SemTech公司推出SX1276/8系列的扩频调制射频芯片,它的实现方式非常巧妙,整个解调器引擎只需要50K个门。功耗低:休眠电流0.2uA,接收电流12mA,发射电流,和常见的GFSK芯片Si4438和CC1125接近,但是通信距离是GFSK芯片的3倍。附带说一句,我们国人在IT技术上最大的弱项是硬件呀,基本上IC(集中电路)芯片都靠进口。

  SemTech公司官方宣称该芯片可以达到:可视距离15kM,城市环境中3kM的通信距离。根据我们的实测数据:SX1278在1kbps的速率下可以单跳覆盖一个5000多户的小区。这意味着,使用简单的星型组网就可以建立LoRa微功率网络,而GFSK调制的芯片常常需要树型或MESH等复杂的路由网络。

  同时,根据我们的使用经验,发现LoRa射频芯片至少有2个弊端:首先,通信速率低,它真正与GFSK拉开通信距离差距的速率都低于1kbps,这意味着LoRa主要用于低速率通信,如传感器数据;另外,1.5~2美金的售价比GFSK芯片高出许多,给产品带来高成本。

  iWL881A无线通信模块是“长沙市锐米通信科技有限公司()”的LoRa长距离低功耗产品(如下图),它内嵌高效强大的物联网操作系统Contiki,支持星型/树型/MESH网络,与公司的集中器和云服务器组成“端管云”系统。典型应用场景为:居民抄表(水/电/气)、路灯控制、工厂采集、安全报警等。

  该款微功耗无线通信产品应用场景基本由电池供电,因此低功耗设计成了首个“主战场”。MCU选用了ST公司超低功耗处理器STM8L151C8,射频芯片(RF)使用Semtech公司SX1278。该产品具备超低功耗,待机功耗仅为0.6uA,接收功耗约16mA,超长距离发射功耗约100mA。

  因为功耗、成本和尺寸等因素的限制,微功率无线通信产品一般只能使用资源受限的MCU;同时,节能技术的实现,网络协议栈的支持,一样需要实现。这时,就极为需要一个节省内存、支持多种网络协议栈、可裁剪的操作系统。

  Contiki就是一个比较理想的无线通信产品操作系统,它非常节省内存,丰富的无线通信协议原语,小巧实用的Coffee文件系统,可灵活更换的动态链接库,支持IPPv4和IPv6协议栈,由ASNI C语言实现,开源免费。

  随着物联网的高速发展,Contiki可能会成为一个普及度十分高的物联网操作系统,如同Linux一样。神奇网站公开一码46

Copyright 2017-2025 http://www.inmoeurope.com All Rights Reserved.