LoRa无线通信设计(一)原理
wzzkaifa  发布于 2019-05-16

 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。手机差点儿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。我们猜测下面将成为未来的趋势:

l 市电供电的设备(电视机、音响等)采用诸如UWB之类的快速短距离无线,

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。

更大胆的猜测是。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,手机能够会消失,付款按指纹就可以。

是时候,让我们一起揭开无线通信的神奇面纱,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。我们须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(计算机仅仅能处理数字信号)通过模拟信号(由“猫”完毕调制)传输,同一时候模拟信号也能够转换成数字信号(由“猫”完毕解调);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,例如以下图所看到的,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,例如以下图所看到的。



无线信号除直线传播外。由于阻碍物的存在,还会发现例如以下图所看到的的3种传播机制:反射(R)、散射(S)和衍射(D),由于传输路径的不同而引起多径衰退是无线通信的一个挑战。

 


由于电磁波是连续的模拟信号。无线通信中数字数据都须要调制成模拟信号,常见的方法有:ASK(幅移键控)、FSK(频移键控)和PSK(相移键控)。例如以下图所看到的。


二、      LoRa扩频通信

1944年,好莱坞26岁女影星HedyLamarr(号称世界上最漂亮的女人)发明了扩频通信技术,这样的跳频技术能够有效地抗击干扰和实现加密。


后来人们发现,扩频技术能够得到例如以下收益: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。

扩频调制的示意图例如以下所看到的,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,这样的调制带来的影响是传输信号的带宽有显着添加(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:扩展编码调制生成很多其它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,要提高通信距离经常使用的办法是提高发射功率。同一时候也带来很多其它的能耗。电池供电的设备(如水表)一般仅仅能使用微功率无线通信,这样一来就限制了其通信距离。如今。SemTech公司推出的LoRa射频。由于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,它的实现方式很巧妙。整个解调器引擎仅仅须要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,可是通信距离是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能够达到:可视距离15kM。城市环境中3kM的通信距离。

依据我们的实测数据:SX1278在1kbps的速率下能够单跳覆盖一个5000多户的小区。这意味着。使用简单的星型组网就能够建立LoRa微功率网络,而GFSK调制的芯片经常须要树型或MESH等复杂的路由网络。

同一时候。依据我们的使用经验,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芯片高出很多。给产品带来高成本。

了解与下载很多其它的LoRa资料请链接:http://www.rimelink.com/col.jsp?id=105

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(例如以下图),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server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。

详细测试数据能够参考博文《MCU低功耗设计(三)产品》:

http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/47700597

MCU与RF通过SPI总线连接,此外另一些控制引脚。SX1278硬件原理图例如以下: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。

很多其它的介绍与技术支持请链接:http://www.rimelink.com/nd.jsp?id=32&_np=105_315

四、      Contiki操作系统

由于功耗、成本和尺寸等因素的限制,微功率无线通信产品一般仅仅能使用资源受限的MCU。同一时候,节能技术的实现。网络协议栈的支持。一样须要实现。

这时。就极为须要一个节省内存、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,它很节省内存,丰富的无线通信协议原语,小巧有用的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。

随着物联网的快速发展,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。


免费下载Contiki源码+原理+功能+编程+移植+驱动+网络

请链接:http://www.rimelink.com/nd.jsp?

id=31&_np=105_315


假设您对于用Contiki设计无线通信产品,请参考下面博文:

Contiki经典论文:http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/44274209

Contiki移植:http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/44656389

Contiki内核原理:http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/44684811

Contiki开发要点:http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/44725997

Contiki协议栈:http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/45932571

Contiki经常使用数据结构:

http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/46385453

rtimer原理与移植:

http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/44947899

 解析Contiki系统protothread的预编译C代码:

http://blog.csdn.net/jiangjunjie_2005/article/details/44600365

 

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