介绍

1901年,古列尔莫·马可尼将长波无线电信号从康沃尔郡(位于英国西南部)跨越大西洋传输到3200公里外的纽芬兰(加拿大纽芬兰岛)。 至此,人类进入了无线通讯时代。 100多年来,无线技术的发展为人类带来了广播、电视、移动电话和通信卫星。 近20年来,移动通信给人们留下的印象最为深刻。 手机几乎已经成为人们的一个器官,用它上网很方便。

无线通信具有投资成本低、扩展灵活性大、跨越空间障碍等先天优势。 我们推测以下将成为未来趋势:

l 市电供电设备(电视、音响等)使用UWB等高速短距离无线。

l电池供电的设备(能耗表、自行车等)将采用微功率无线、

l手持设备(手机、平板电脑等)继续使用4G/5G移动通信技术。

更大胆的猜测是,随着生物识别技术、大容量储能和柔性屏材料的突破,显示和通讯将无处不在,手机可能会消失,指纹支付也能实现。

是时候让我们揭开无线通信的神秘面纱,了解原理,接触一下正在我们身边出现的微功耗无线通信了。

1. 无线通信原理

在通信系统中,我们需要明确模拟与数字的关系:模拟信号是连续变化的电磁波,数字信号是电压脉冲序列。 让我们看一个例子。 下图摘自经典教材《无线通信与网络(第二版)》。 电话通信是典型的通过模拟信号传输的模拟数据(声波); 家庭宽带拨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(“猫”调制)进行传输,模拟信号也可以转换成数字信号(“猫”解调) ; 计算机本地共享是典型的通过数字信号传输数字数据。

通信无线设备有哪些_无线通信_通信无线设计工作咋样

通信信号的第一个“敌人”是噪声。 如下图所示,噪声对数字位的影响足以将 1 变成 0,或将 0 变成 1。

无线通信_通信无线设备有哪些_通信无线设计工作咋样

无线传播主要有三种类型:地波传播、天波传播和线性传播,如下图所示。

无线通信_通信无线设备有哪些_通信无线设计工作咋样

无线信号除了直线传播外,由于障碍物的存在,会出现如下图所示的三种传播机制:反射(R)、散射(S)和衍射(D),从而产生多径现象。到不同的传输路径 衰落是无线通信中的一个挑战。

通信无线设备有哪些_通信无线设计工作咋样_无线通信

由于电磁波是连续的模拟信号,因此无线通信中的数字数据需要调制为模拟信号。 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。

通信无线设计工作咋样_通信无线设备有哪些_无线通信

2.LoRa扩频通信

1944年,26岁的好莱坞女演员海蒂·拉玛(被誉为世界上最美丽的女人)发明了扩频通信技术,可以有效抵抗干扰并实现加密。

通信无线设计工作咋样_无线通信_通信无线设备有哪些

后来人们发现扩频技术可以获得以下好处:不受各类噪声和多径失真的影响; 信噪比增益。 换句话说,扩频通信的抗干扰能力更强,通信距离更远。 CDMA和WiFi都使用扩频技术。

扩频调制的示意图如下所示。 将用户数据的原始信号与扩展编码比特流进行XOR(异或)运算,生成发送信号流。 这种调制的效果是传输信号的带宽显着增加(扩展频谱)。

当然,扩频技术并不是万能的,它至少有两个缺点:扩频编码调制会产生更多的数据流切片,导致通信数据速率下降; 更复杂的调制和解调机制。

无线通信_通信无线设计工作咋样_通信无线设备有哪些

长期以来,增加通信距离的常用方法是提高发射功率,这也带来了更多的能耗。 电池供电的设备(如水表)一般只能采用微功率无线通信,这限制了其通信范围。 现在,SemTech推出的LoRa射频采用扩频调制技术,可以在相同的功耗下实现更远的通信距离。

2013年,SemTech推出SX1276/8系列扩频调制射频芯片。 它的实现方法非常巧妙,整个解调器引擎只需要50K门。 功耗低:休眠电流0.2uA,接收电流12mA,发射电流29mA@13dBm,接近常见GFSK芯片Si4438和CC1125,但通信距离是GFSK芯片的3倍。 顺便说一句,我们人在IT技术方面最大的弱点是硬件。 IC(集中电路)芯片基本上都是进口的。

SemTech官方宣称,该芯片可以实现:城市环境下视觉距离15kM,通信距离3kM。 根据我们的实测数据:SX1278以1kbps的速率单跳即可覆盖5000多户的社区。 这意味着LoRa微功率网络可以使用简单的星形网络建立,而GFSK调制芯片通常需要复杂的路由网络,例如树形或MESH。

同时,根据我们的经验,我们发现LoRa射频芯片至少有两个缺点:一是通信速率低,真正与GFSK拉宽通信距离的速率低于1kbps,这意味着LoRa主要用于低速率通信,例如传感器数据; 另外,1.5~2美元的价格远高于GFSK芯片,给产品带来了较高的成本。

了解和下载更多LoRa资料请链接:

3. iWL881A的设计

iWL881A无线通信模块是“长沙锐米通信科技有限公司()”的一款LoRa远距离低功耗产品(如下图所示)。 内嵌高效强大的物联网操作系统Contiki,支持星型/树型/MESH网络,公司集中器和云服务器构成“端-管-云”体系。 典型应用场景有:居民抄表(水/电/气)、路灯控制、工厂采集、安防报警等。

通信无线设计工作咋样_通信无线设备有哪些_无线通信

这种微功耗无线通信产品的应用场景基本都是由电池供电,因此低功耗设计成为第一个“主战场”。 MCU采用ST的超低功耗处理器STM8L151C8,射频芯片(RF)采用Semtech的SX1278。 产品具有超低功耗,待机功耗仅为0.6uA,接收功耗约16mA,超远距离发射功耗约100mA。 具体测试数据可参考博文《MCU低功耗设计(三)产品》:

MCU和RF通过SPI总线连接,有一些控制引脚。 SX1278硬件原理图如下:RF通过DIO0~5引脚向MCU发送通知信号,NSS/SCK/MISO/MOSI为SPI总线,NRRST为MCU复位RF引脚。

更多介绍和技术支持请链接:/nd.jsp?id=32&_np=105_315

4.Contiki操作系统

由于功耗、成本、尺寸等因素的限制,微功耗无线通信产品一般只能采用资源受限的MCU; 同时,还需要落实节能技术和网络协议栈的支持。 这时候就非常需要一个节省内存、支持多种网络协议栈、并且可以定制的操作系统。

Contiki是无线通信产品的理想操作系统。 它非常节省内存,丰富的无线通信协议原语,紧凑实用的Coffee文件系统,灵活的动态链接库,支持IPPv4和IPv6协议栈。 它是由ASNI C语言实现开发的,开源且免费。

随着物联网的快速发展,Contiki可能会像Linux一样成为非常流行的物联网操作系统。

免费下载Contiki源码+原理+功能+编程+移植+驱动+网络,

请链接:

如果您有兴趣使用Contiki设计无线通信产品,请参考以下博文:

Contiki经典论文:

Contiki移植:

Contiki核心原理:

Contiki开发要点:

Contiki协议栈:

Contiki常用的数据结构:

rtimer原理及移植:

解析Contiki系统protothread的预编译C代码:

欢迎来到“LoRaWAN论坛”/forum.php

By admin