LoRa無線通信設計(一)原理

引言

1901年，古列爾默.馬可尼把長波無線電信號從Cornwall（康沃爾，位於英國的西南部）跨過大西洋傳送到3200公里之外的Newfoundland(加拿大的紐芬蘭島)。至此人類進入了無線通信時代。

100多年來。無線技術的發展為人類帶來了無線電、電視、移動電話和通信衛星。

近20年。最讓人們深刻感受的是移動通信。手機差點兒成為人們的一個器官，用它便捷接入Internet。

無線通信具有一些天生優勢：投入成本低，擴展靈活性大，跨越空間阻礙。我們猜測下面將成為未來的趨勢：

l 市電供電的設備（電視機、音響等）採用諸如UWB之類的快速短距離無線，

l 電池供電的設備（能耗表計。自行車等）將會採用微功率無線，

l 手持設備（手機。平板電腦等）繼續使用4G/5G的移動通信技術。

更大膽的猜測是。隨着生物識別技術、大容量儲能和柔性屏幕材料突破，顯示和通信將會無處不在，手機能夠會消失，付款按指紋就可以。

是時候，讓我們一起揭開無線通信的神奇面紗，了解下原理。接觸一個即將來臨身邊的微功率無線通信。

一、無線通信原理

在通信系統中。我們須要弄清模擬和數字的關系：一個模擬信號就是一個連續變化的電磁波，一個數字信號是一個電壓脈沖序列。看一個實例。下圖選自經典教材《無線通信與網絡（第二版）》。電話通信是典型的模擬數據（聲波）通過模擬信號傳輸；家庭寬帶拔號上網是典型的數字數據（計算機僅僅能處理數字信號）通過模擬信號（由“貓”完畢調制）傳輸，同一時候模擬信號也能夠轉換成數字信號（由“貓”完畢解調）；計算機局域共享則是典型的數字數據通過數字信號傳輸。

通信信號的第一個“敵人”是噪聲，例如以下圖所看到的，噪聲會影響數字位，足以將1變為0，或將0變為1。

無線傳播主要有3種類型：地波傳播、天波傳播和直線傳播，例如以下圖所看到的。

無線信號除直線傳播外。由於阻礙物的存在，還會發現例如以下圖所看到的的3種傳播機制：反射（R）、散射（S）和衍射（D），由於傳輸路徑的不同而引起多徑衰退是無線通信的一個挑戰。

由於電磁波是連續的模擬信號。無線通信中數字數據都須要調制成模擬信號，常見的方法有：ASK（幅移鍵控）、FSK（頻移鍵控）和PSK（相移鍵控）。例如以下圖所看到的。

二、 LoRa擴頻通信

1944年，好萊塢26歲女影星HedyLamarr（號稱世界上最漂亮的女人）發明了擴頻通信技術，這樣的跳頻技術能夠有效地抗擊干擾和實現加密。

后來人們發現，擴頻技術能夠得到例如以下收益：從各種類型的噪聲和多徑失真中獲得免疫性；得到信噪比的增益。換句話說，使用擴頻通信抗干擾性更強，通信距離更遠。

CDMA和WiFi都使用了擴頻技術。

擴頻調制的示意圖例如以下所看到的，用戶數據的原始信號與擴展編碼位流進行XOR（異或）運算。生成發送信號流，這樣的調制帶來的影響是傳輸信號的帶寬有顯著添加（擴展了頻譜）。

當然擴頻技術也不是萬能的。它至少有2個弊端：擴展編碼調制生成很多其它片的數據流導致通信數據率下降。較復雜的調制和解調機制。

長期以來，要提高通信距離經常使用的辦法是提高發射功率。同一時候也帶來很多其它的能耗。電池供電的設備（如水表）一般僅僅能使用微功率無線通信，這樣一來就限制了其通信距離。如今。SemTech公司推出的LoRa射頻。由於採用了擴頻調制技術，從而在同等的功耗下取得更遠的通信距離。

2013年SemTech公司推出SX1276/8系列的擴頻調制射頻芯片，它的實現方式很巧妙。整個解調器引擎僅僅須要50K個門。功耗低：休眠電流0.2uA。接收電流12mA。發射電流29mA@13dBm，和常見的GFSK芯片Si4438和CC1125接近，可是通信距離是GFSK芯片的3倍。

附帶說一句，我們國人在IT技術上最大的弱項是硬件呀，基本上IC（集中電路）芯片都靠進口。

SemTech公司官方宣稱該芯片能夠達到：可視距離15kM。城市環境中3kM的通信距離。

依據我們的實測數據：SX1278在1kbps的速率下能夠單跳覆蓋一個5000多戶的小區。這意味着。使用簡單的星型組網就能夠建立LoRa微功率網絡，而GFSK調制的芯片經常須要樹型或MESH等復雜的路由網絡。

同一時候。依據我們的使用經驗，發現LoRa射頻芯片至少有2個弊端：首先。通信速率低。它真正與GFSK拉開通信距離差距的速率都低於1kbps。這意味着LoRa主要用於低速率通信，如傳感器數據；另外。1.5～2美金的售價比GFSK芯片高出很多。給產品帶來高成本。

了解與下載很多其它的LoRa資料請鏈接：http://www.rimelink.com/col.jsp?id=105

三、 iWL881A的設計

iWL881A無線通信模塊是“長沙市銳米通信科技有限公司(www.rimelink.com)”的LoRa長距離低功耗產品（例如以下圖），它內嵌高效強大的物聯網操作系統Contiki，支持星型/樹型/MESH網絡。與公司的集中器和雲server組成“端管雲”系統。典型應用場景為：居民抄表（水/電/氣）、路燈控制、工廠採集、安全報警等。