詳解無線通信原理和LoRa擴頻通信技術

當人類進入了無線通信時代，我們的生活發生了巨大的改變。無線通信具有一些天生優勢，我們常說一個模擬信號代表的就是一個連續變化電磁波，一個數位訊號就是代表一個電壓脈衝序列，計算機局域共享則是典型的數字數據通過數位訊號傳輸。通信信號最大的問題就是噪聲，因為噪聲會影響數字位，今天我們來了解一下它的具體原理。

1901年，古列爾默。馬可尼把長波無線電信號從Cornwall（康沃爾，位於英國的西南部）跨過大西洋傳送到3200公裡之外的Newfoundland（加拿大的紐芬蘭島），至此人類進入了無線通信時代。100多年來，無線技術的發展為人類帶來了無線電、電視、行動電話和通信衛星。近20年，最讓人們深刻感受的是移動通信，手機幾乎成為人們的一個器官，用它便捷接入Internet。

無線通信具有一些天生優勢：投入成本低，擴展靈活性大，跨越空間阻礙。我們推測以下將成為未來的趨勢：

l 市電供電的設備（電視機、音響等）採用諸如UWB之類的高速短距離無線，

l 電池供電的設備（能耗表計，自行車等）將會採用微功率無線，

l 手持設備（手機，平板電腦等）繼續使用4G/5G的移動通信技術。

更大膽的推測是，隨著生物識別技術、大容量儲能和柔性屏幕材料突破，顯示和通信將會無處不在，手機可以會消失，付款按指紋即可。

是時候，讓我們一起揭開無線通信的神秘面紗，了解下原理，接觸一個即將來臨身邊的微功率無線通信。

一、 無線通信原理

在通信系統中，我們需要弄清模擬和數字的關係：一個模擬信號就是一個連續變化的電磁波，一個數位訊號是一個電壓脈衝序列。看一個實例，下圖選自經典教材《無線通信與網絡（第二版）》，電話通信是典型的模擬數據（聲波）通過模擬信號傳輸；家庭寬帶拔號上網是典型的數字數據（計算機只能處理數位訊號）通過模擬信號（由「貓」完成調製）傳輸，同時模擬信號也可以轉換成數位訊號（由「貓」完成解調）；計算機局域共享則是典型的數字數據通過數位訊號傳輸。

通信信號的第一個「敵人」是噪聲，如下圖所示，噪聲會影響數字位，足以將1變為0，或將0變為1。

無線傳播主要有3種類型：地波傳播、天波傳播和直線傳播，如下圖所示。

無線信號除直線傳播外，因為阻礙物的存在，還會發現如下圖所示的3種傳播機制：反射（R）、散射（S）和衍射（D），因為傳輸路徑的不同而引起多徑衰退是無線通信的一個挑戰。

因為電磁波是連續的模擬信號，無線通信中數字數據都需要調製成模擬信號，常見的方法有：ASK（幅移鍵控）、FSK（頻移鍵控）和PSK（相移鍵控），如下圖所示。

二、 LoRa擴頻通信

1944年，好萊塢26歲女影星HedyLamarr（號稱世界上最美麗的女人）發明了擴頻通信技術，這種跳頻技術可以有效地抗擊幹擾和實現加密。

後來人們發現，擴頻技術可以得到如下收益：從各種類型的噪聲和多徑失真中獲得免疫性；得到信噪比的增益。換句話說，使用擴頻通信抗幹擾性更強，通信距離更遠。CDMA和WiFi都使用了擴頻技術。

擴頻調製的示意圖如下所示，用戶數據的原始信號與擴展編碼位流進行XOR（異或）運算，生成發送信號流，這種調製帶來的影響是傳輸信號的帶寬有顯著增加（擴展了頻譜）。

當然擴頻技術也不是萬能的，它至少有2個弊端：擴展編碼調製生成更多片的數據流導致通信數據率下降；較複雜的調製和解調機制。

長期以來，要提高通信距離常用的辦法是提高發射功率，同時也帶來更多的能耗。電池供電的設備（如水錶）一般只能使用微功率無線通信，這樣一來就限制了其通信距離。現在，SemTech公司推出的LoRa射頻，因為採用了擴頻調製技術，從而在同等的功耗下取得更遠的通信距離。

2013年SemTech公司推出SX1276/8系列的擴頻調製射頻晶片，它的實現方式非常巧妙，整個解調器引擎只需要50K個門。功耗低：休眠電流0.2uA，接收電流12mA，發射電流29mA@13dBm，和常見的GFSK晶片Si4438和CC1125接近，但是通信距離是GFSK晶片的3倍。附帶說一句，我們國人在IT技術上最大的弱項是硬體呀，基本上IC（集中電路）晶片都靠進口。

SemTech公司官方宣稱該晶片可以達到：可視距離15kM，城市環境中3kM的通信距離。根據我們的實測數據：SX1278在1kbps的速率下可以單跳覆蓋一個5000多戶的小區。這意味著，使用簡單的星型組網就可以建立LoRa微功率網絡，而GFSK調製的晶片常常需要樹型或MESH等複雜的路由網絡。

同時，根據我們的使用經驗，發現LoRa射頻晶片至少有2個弊端：首先，通信速率低，它真正與GFSK拉開通信距離差距的速率都低於1kbps，這意味著LoRa主要用於低速率通信，如傳感器數據；另外，1.5～2美金的售價比GFSK晶片高出許多，給產品帶來高成本。

三、 iWL881A的設計

iWL881A無線通信模塊是「長沙市銳米通信科技有限公司（www.rimelink.com）」的LoRa長距離低功耗產品（如下圖），它內嵌高效強大的物聯網作業系統Contiki，支持星型/樹型/MESH網絡，與公司的集中器和雲伺服器組成「端管雲」系統。典型應用場景為：居民抄表（水/電/氣）、路燈控制、工廠採集、安全報警等。

該款微功耗無線通信產品應用場景基本由電池供電，因此低功耗設計成了首個「主戰場」。MCU選用了ST公司超低功耗處理器STM8L151C8，射頻晶片（RF）使用Semtech公司SX1278。該產品具備超低功耗，待機功耗僅為0.6uA，接收功耗約16mA，超長距離發射功耗約100mA。

MCU與RF通過SPI總線連接，此外還有一些控制引腳，SX1278硬體原理圖如下：RF通過DIO0～5引腳給MCU發通知信號，NSS /SCK / MISO / MOSI是SPI總線，NRRST是MCU復位RF的引腳。

四、 Contiki作業系統

因為功耗、成本和尺寸等因素的限制，微功率無線通信產品一般只能使用資源受限的MCU；同時，節能技術的實現，網絡協議棧的支持，一樣需要實現。這時，就極為需要一個節省內存、支持多種網絡協議棧、可裁剪的作業系統。

Contiki就是一個比較理想的無線通信產品作業系統，它非常節省內存，豐富的無線通信協議原語，小巧實用的Coffee文件系統，可靈活更換的動態連結庫，支持IPPv4和IPv6協議棧，由ASNI C語言實現，開源免費。

隨著物聯網的高速發展，Contiki可能會成為一個普及度十分高的物聯網作業系統，如同Linux一樣。

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