1901年，古列爾默.馬可尼把長波無線電信號(hào)從Cornwall（康沃爾，位于英國的西南部）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(jìn)入了無線通信時(shí)代。100多年來，無線技術(shù)的發(fā)展為人類帶來了無線電、電視、移動(dòng)電話和通信衛(wèi)星。近20年，最讓人們深刻感受的是移動(dòng)通信，手機(jī)幾乎成為人們的一個(gè)器官，用它便捷接入Internet。
無線通信具有一些天生優(yōu)勢：投入成本低，擴(kuò)展靈活性大，跨越空間阻礙。我們推測以下將成為未來的趨勢
手持設(shè)備（手機(jī)，平板電腦等）繼續(xù)使用4G/5G的移動(dòng)通信技術(shù)
市電供電的設(shè)備（電視機(jī)、音響等）采用諸如UWB之類的高速短距離無線
電池供電的設(shè)備（能耗表計(jì)，自行車等）將會(huì)采用微功率無線
更大膽的推測是，隨著生物識(shí)別技術(shù)、大容量儲(chǔ)能和柔性屏幕材料突破，顯示和通信將會(huì)無處不在，手機(jī)可以會(huì)消失，付款按指紋即可。
是時(shí)候，讓我們一起揭開無線通信的神秘面紗，了解下原理，接觸一個(gè)即將來臨身邊的微功率無線通信。
在通信系統(tǒng)中，我們需要弄清模擬和數(shù)字的關(guān)系：一個(gè)模擬信號(hào)就是一個(gè)連續(xù)變化的電磁波，一個(gè)數(shù)字信號(hào)是一個(gè)電壓脈沖序列?？匆粋€(gè)實(shí)例，下圖選自經(jīng)典教材《無線通信與網(wǎng)絡(luò)（第二版）》，電話通信是典型的模擬數(shù)據(jù)（聲波）通過模擬信號(hào)傳輸；家庭寬帶拔號(hào)上網(wǎng)是典型的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)（計(jì)算機(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)）通過模擬信號(hào)（由“貓”完成調(diào)制）傳輸，同時(shí)模擬信號(hào)也可以轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)（由“貓”完成解調(diào)）；計(jì)算機(jī)局域共享則是典型的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通過數(shù)字信號(hào)傳輸。
通信信號(hào)的第一個(gè)“敵人”是噪聲，如下圖所示，噪聲會(huì)影響數(shù)字位，足以將1變?yōu)?，或?qū)?變?yōu)?。
無線傳播主要有3種類型：地波傳播、天波傳播和直線傳播，如下圖所示。
無線信號(hào)除直線傳播外，因?yàn)樽璧K物的存在，還會(huì)發(fā)現(xiàn)如下圖所示的3種傳播機(jī)制：反射（R）、散射（S）和衍射（D），因?yàn)閭鬏斅窂降牟煌鸲鄰剿ネ耸菬o線通信的一個(gè)挑戰(zhàn)。
因?yàn)殡姶挪ㄊ沁B續(xù)的模擬信號(hào)，無線通信中數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都需要調(diào)制成模擬信號(hào)，常見的方法有：ASK（幅移鍵控）、FSK（頻移鍵控）和PSK（相移鍵控），如下圖所示。
1944年，好萊塢26歲女影星HedyLamarr（號(hào)稱世界上最美麗的女人）發(fā)明了擴(kuò)頻通信技術(shù)，這種跳頻技術(shù)可以有效地抗擊干擾和實(shí)現(xiàn)加密。
后來人們發(fā)現(xiàn)，擴(kuò)頻技術(shù)可以得到如下收益：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(kuò)頻通信抗干擾性更強(qiáng)，通信距離更遠(yuǎn)。CDMA和WiFi模塊都使用了擴(kuò)頻技術(shù)。
lora擴(kuò)頻調(diào)制的示意圖如下所示，用戶數(shù)據(jù)的原始信號(hào)與擴(kuò)展編碼位流進(jìn)行XOR（異或）運(yùn)算，生成發(fā)送信號(hào)流，這種調(diào)制帶來的影響是傳輸信號(hào)的帶寬有顯著增加（擴(kuò)展了頻譜）。
當(dāng)然lora擴(kuò)頻技術(shù)也不是萬能的，它至少有2個(gè)弊端：擴(kuò)展編碼調(diào)制生成更多片的數(shù)據(jù)流導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)率下降；較復(fù)雜的調(diào)制和解調(diào)機(jī)制。
長期以來，要提高通信距離常用的辦法是提高發(fā)射功率，同時(shí)也帶來更多的能耗。電池供電的設(shè)備（如水表）一般只能使用微功率無線通信，這樣一來就限制了其通信距離?，F(xiàn)在，SemTech公司推出的LoRa射頻，因?yàn)椴捎昧藬U(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，從而在同等的功耗下取得更遠(yuǎn)的通信距離。
2013年SemTech公司推出SX1276/8系列的擴(kuò)頻調(diào)制射頻芯片，它的實(shí)現(xiàn)方式非常巧妙，整個(gè)解調(diào)器引擎只需要50K個(gè)門。功耗低：休眠電流0.2uA，接收電流12mA，發(fā)射電流29mA@13dBm，和常見的GFSK芯片Si4438和CC1125接近，但是通信距離是GFSK芯片的3倍。附帶說一句，我們國人在IT技術(shù)上最大的弱項(xiàng)是硬件呀，基本上IC（集中電路）芯片都靠進(jìn)口。
SemTech公司官方宣稱該芯片可以達(dá)到：可視距離15kM，城市環(huán)境中3kM的通信距離。根據(jù)我們的實(shí)測數(shù)據(jù)：SX1278在1kbps的速率下可以單跳覆蓋一個(gè)5000多戶的小區(qū)。這意味著，使用簡單的星型組網(wǎng)就可以建立LoRa微功率網(wǎng)絡(luò)，而GFSK調(diào)制的芯片常常需要樹型或MESH等復(fù)雜的路由網(wǎng)絡(luò)。
同時(shí)，根據(jù)我們的使用經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)LoRa射頻芯片至少有2個(gè)弊端：首先，通信速率低，lora真正與GFSK拉開通信距離差距的速率都低于1kbps，這意味著LoRa模塊主要用于低速率通信，如傳感器數(shù)據(jù)；另外，1.5～2美金的售價(jià)比GFSK芯片高出許多，給產(chǎn)品帶來高成本。
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