扩频通信，详解无线通信原理和LoRa扩频通信技术

很多朋友对扩频通信，详解无线通信原理和LoRa扩频通信技术不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

当人类进入无线通信时代，我们的生活发生了巨大的变化。无线通信有一些天然的优势。我们常说模拟信号代表连续变化的电磁波，数字信号代表电压脉冲序列，计算机本地共享就是典型的通过数字信号进行数字数据传输。通信信号最大的问题是噪声，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，古勒莫。马可尼将长波无线电信号从康沃尔郡(康沃尔郡，位于英国西南部)跨越大西洋传到3200公里外的纽芬兰(加拿大纽芬兰)，人类由此进入无线通信时代。在过去的100年里，无线技术的发展给人类带来了收音机、电视、手机和通信卫星。在过去的20年里，人们印象最深刻的是移动通信。手机几乎成了人们的一个器官，上网很方便。

无线通信有一些天然的优势：投资成本低、扩展灵活性大、跨越空间障碍。我们推测以下将成为未来趋势：l由市电供电的设备(电视机、音响等。)将使用高速短距离无线如UWB，l电池供电的设备(电能表，自行车等。)会用微功率无线，而l手持设备(手机、平板电脑等。)将继续使用4G/5G移动通信技术。

更大胆的是，随着生物识别技术的突破，大容量储能和柔性屏幕材料的出现，显示和通讯将无处不在，手机可以消失，指纹可以支付。是时候让我们揭开无线通信的神秘面纱，了解原理，接触一个身边的微功耗无线通信了。

一、无线通信原理在通信系统中，我们需要了解模拟和数字的关系：模拟信号是连续变化的电磁波，数字信号是电压脉冲序列。

看一个例子。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信号传输的模拟数据(声波)。家庭宽带拨号上网是典型的模拟信号(经“猫”调制)传输的数字数据(计算机只能处理数字信号)，模拟信号也可以转换成数字信号(经“猫”解调)；计算机本地共享是一种典型的通过数字信号进行的数字数据传输。

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变为0或将0变为1。无线传播主要有三种：地波传播、天波传播和直线传播，如下图所示。除了直线传播，无线信号会因为障碍物的存在而发现如下图所示的三种传播机制：反射(R)、散射(S)和衍射(D)。不同传输路径引起的多径衰落是无线通信面临的一个挑战。

由于电磁波是连续的模拟信号，无线通信中的数字数据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)、PSK(相移键控)，如下图所示。二、 LoRa扩频通信1944年，26岁的好莱坞女演员HedyLamarr(世界上最美的女人)发明了扩频通信技术，可以有效抗干扰，实现加密。

后来，人们发现扩频技术可以得到以下好处：对各类噪声和多径失真的免疫力；获得信噪比的增益。也就是说，扩频通信抗干扰性更强，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。用户数据的原始信号与扩展编码比特流进行异或(异或)运算，以生成传输信号流。这种调制带来的影响是传输信号的带宽显著增加(频谱扩展)。

当然，扩频技术也不是万能的，它至少有两个缺点：扩频码调制产生更多数据流导致通信数据速率下降；更复杂的调制和解调机制。

长期以来，提高通信距离的常用方法是增加发射功率，这也带来了更多的能量消耗。电池供电的设备(如水表)只能使用低功耗的无线通信，这限制了它们的通信距离。现在SemTech公司推出的LoRa射频，因为采用了扩频调制技术，在同样功耗的情况下，实现了更长的通信距离。

2013年SemTech公司推出SX1276/8系列扩频调制射频芯片，实现非常巧妙，整个解调器引擎只需要50K门。低功耗：休眠电流0.2uA，接收电流12mA，发射电流29mA@13dBm，接近常见的GFSK芯片Si4438和CC1125，但通信距离是GFSK芯片的3倍。顺带一提，我们在IT技术上最大的软肋是硬件。基本上IC芯片都是进口的。

SemTech公司官方宣称该芯片在城市环境下可以达到15kM的可视距离和3kM的通信距离。根据我们的实测数据，SX1278可以以1kbps的速率单跳覆盖一个5000多户的小区。这意味着利用简单的星型组网就可以建立LoRa微功率网络，而GFSK调制的芯片往往需要树形或网状等复杂的路由网络。

同时根据我们的经验发现，LoRa射频芯片至少有两个缺点：一是通信速率低，真正拉开与GFSK通信距离差距的速率不到1kbps，也就是说LoRa主要用于低速率通信，比如传感器数据；此外，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。

iWL881A的设计三、 iwl 881 a的无线通信模块是长沙瑞米通信技术有限公司(www.rimelink.com)的LoRa长距离低功耗产品(如下图所示)。它嵌入了高效强大的物联网操作系统Contiki，支持星型/树型/网状网络，与公司的集中器和云服务器组成“端管云”系统。典型的应用场景有：住宅抄表(水/电/气)、路灯控制、工厂采集、安防报警等。

这种微功耗无线通信产品的应用场景基本都是电池供电，因此低功耗设计成为了第一个“主战场”。MCU采用ST公司的超低功耗处理器STM8L151C8，射频芯片采用Semtech公司的SX1278。产品超低功耗，待机功耗仅0.6uA，接收功耗约16mA，超长距离传输功耗约100mA。

MCU和RF通过SPI总线连接，还有一些控制引脚。SX1278的硬件原理图如下：RF通过Dio 0 ~ 5引脚向MCU发送通知信号，NSS/SCK/米索/MOSI为SPI总线，NRRST为MCU复位RF的引脚。

四、 Contiki操作系统由于功耗、成本、尺寸的限制，微功耗无线通信产品只能使用MCU资源有限；同时，节能技术的实现和网络协议栈的支持也需要实现。这个时候就非常需要一个节省内存，支持多种网络协议栈，可以裁剪的操作系统。

Contiki是无线通信产品的理想操作系统，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，灵活可替换的动态链接库，支持IPPv4和IPv6协议栈，用ASNI C语言实现，开源免费。随着物联网的快速发展，Contiki可能会像Linux一样，成为非常受欢迎的物联网操作系统。

以上知识分享希望能够帮助到大家！