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LoRa无线通信设计(一)原理

2020/10/16 17:46:17 文章标签: lora开发

LoRa无线通信设计(一)原理 引言 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…

                                  LoRa无线通信设计(一)原理

引言

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。

了解与下载更多的LoRa资料请链接:http://www.rimelink.com/col.jsp?id=105

三、构建 LoRa 物联网

构建 LoRa 物联网系统,具备一些评估和开发工作量。一般而言,一种无线网络只适应某些通信需求,因此,我们建议用户按“三步走”方法规划物联网。

第一步:使用锐米 web 工具,计算:距离,规模,带宽,功耗,拓扑,成本
请链接:http://www.rimelink.com/pr.jsp(实用工具)

第二步:采购1套锐米LoRaWAN系统,评估是否满足需要建设的物联网;

采购链接:锐米产品 http://www.rimelink.com/pr.jsp​​​​​​

序号

设备

数量

备注

1

锐米LoRaWAN网关

1台

必须

2

终端DEMO板

8个

推荐8个,对应8通道

3

UART转USB套装

不少于2套

连接PC和终端

4

ST LINK仿真器

1个

可选(开发DEMO)

第三步:将Sensor(Actuator)(Sersor or Actuator)连接锐米LoRa终端,

        将App连接锐米LoRaWAN Server,组建一个物联网系统。

欢迎加入“LoRaWAN论坛”http://lora.timeddd.com/forum.php


本文链接: http://www.dtmao.cc/news_show_300123.shtml

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