详解无线通信原理和LoRa扩频通信技术

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通信时代。100多年来，无线技术的发展为人类带来了无线电、电视、移动电话和通信卫星。近20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，

l 电池供电的设备（能耗表计，自行车等）将会采用微功率无线，

l 手持设备（手机，平板电脑等）继续使用4G/5G的移动通信技术。

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。

一、 无线通信原理

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。

无线传播主要有3种类型：地波传播、天波传播和直线传播，如下图所示。

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。

二、 LoRa扩频通信

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29mA@13dBm，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。

三、 iWL881A的设计

iWL881A无线通信模块是“长沙市锐米通信科技有限公司（www.rimelink.com）”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。

MCU与RF通过SPI总线连接，此外还有一些控制引脚，SX1278硬件原理图如下：RF通过DIO0～5引脚给MCU发通知信号，NSS /SCK / MISO / MOSI是SPI总线，NRRST是MCU复位RF的引脚。

四、 Contiki操作系统

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。