2023年11月15日

基础普及3物联网基础无线通信原理

作者 admin

物联网涉及多种技术的交叉结合。 我们可以简单地认为物联网就是将一个终端设备A(传感器、智能终端、嵌入式设备等)连接到网络,然后通过另一个终端设备B(手机)连接到网络。 、计算机等)监控和远程操作终端设备A。这个过程会涉及到很多领域的技术。 一般来说,我们认为“连接”是物联网的基础,而“连接”主要涉及的技术领域是“无线通信技术”。

今天我们就来普及一下“无线通讯”的原理。

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1 通讯手段的发展

通信是一个非常古老的领域。 可以简单理解为生物之间的交流。 这种“沟通”是通过所谓的“信号”进行的。 自从人类出现以来,早期的通讯基本上都是依靠咆哮,然后我们有了信件和邮政服务,直到贝尔发明了电话,莫尔斯发明了电报,极大地缩短了人与人之间的距离。 1901年,马可尼将长波无线电信号从英格兰西南部的康沃尔郡发送到大西洋,传输到3200公里外的加拿大纽芬兰岛,标志着人类进入无线通信时代。

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无线通信的诞生

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2 无线通信原理

2.1 关于电磁波和频谱

所谓无线通信,就是利用电磁波的辐射和传播,通过空间传输信息的通信方式。 电磁辐射从低频到高频可分为:无线电波、微波、红外线、可见光(人眼能接收到的电磁波)、紫外线、X射线(医院透视用的X射线) )和伽马射线(癌症放射治疗)。

用于无线通信的频谱是整个电磁频谱的一部分,世界各国都已就无线通信标准达成一致。 联合国的ITU(国际电信联盟)是管理机构,决定国际无线服务的标准,包括无线通信设备的频率分配、信号传输和使用的协议、无线传输和接收设备、卫星轨道等。

随着无线通信业务的快速发展,世界各国对无线频谱资源的需求不断增加,频谱资源已成为公认的稀缺资源。

2.2 窄带、宽带和扩频信号

无线通信技术根据信号使用的无线频谱部分的大小而变化。

(1)窄带信号是指发射机将信号能量集中在单一频率或很小的频率范围上。

(2)宽带信号是指利用无线频谱在较宽的频带上传输信号。

(3)扩频信号使用多个频率来传输信号。 换句话说,在传输过程中,信号永远不会停留在一个频率范围内。 在更宽的频带上分布信号使得扩频信息在每个频率上需要比窄带信号传输更少的功率,这也使得扩频信号不太可能干扰在相同频带上传输的窄带信号。

将信号传播到多个频率的另一个结果是提高了安全性。 由于信号是根据只有授权的发射机和接收机才知道的序列来分发的,因此未经授权的接收机更难以捕获和解码。

2.3 无线信号的传播

电磁波不通过介质传播。 真空中的传播速度等于光速。 传输路径一般沿直线传播。 但由于障碍物的存在,也会发生透射、反射、散射、衍射和衍射现象。 小路。

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无线信号的传播

无线信号的多路径特性既是优点也是缺点。 一方面,由于信号会被障碍物反射,因此他们更有可能到达目的地。 在办公楼等环境中,无线服务依赖于墙壁、天花板、地板和家具反射的信号最终到达目的地。

多径信号传输的缺点是,由于其路径不同,同一信号会在不同时间从不同的传输路径到达接收器,从而导致衰落和延迟,这是无线通信中的一大挑战。

2.4 模拟信号和数字信号

在讲无线通信之前,我们需要先明确一下模拟与数字的关系:所谓模拟信号是不断变化的电磁波,而数字信号则是电压脉冲序列。 传统的固网电话通信是典型的通过模拟信号传输模拟数据(声波); 而家庭宽带上网则是典型的通过模拟信号(调制解调器调制)来传输数字数据(计算机只能处理数字信号),同时模拟信号也可以转换为数字信号(调制解调器解调); 互联网内的通信通常是通过数字信号传输的数字数据。

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数字信号和模拟信号

2.5 信号和噪声

与有用信号相比,无线信道噪声通常称为干扰。 如果不去除噪声干扰,当噪声的频率和幅度达到一定程度时,有用信号就会被淹没,导致有用信号难以解调。 这会造成信号失真,严重妨碍通信的正确有效进行。 这是无线通信的另一个重大挑战。

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信号和噪声

为了解决噪声干扰问题,通常使用滤波器来滤除有用信号以外的不需要的信号。

2.6 编码与解码

信号在发送端进行编码,在接收端进行解码。 编码和解码包括源和通道方面。

(1)信源编码:将语言、图像、视频等原始信号转换为数字信号的编码

除了语音之外,我们一般需要传输的信息还包括图像、视频等多媒体数据。 这些大量的信息将对无线通信系统和无线频谱资源造成巨大的压力和占用。 这时候就必须考虑压缩了。 从信息论的角度来看,压缩就是从信息中去除冗余内容。 所以我们可以理解,信源编码的目的是为了降低数据速率,提高信息效率。

(2)信道编码:在发送的信息中添加冗余数据

为了保证无线通信系统的传输可靠性,克服信道中的噪声和干扰。 攻城狮按照一定的规则,在要发送的信息中人为地添加一些必要的冗余信息,并在接收端利用这些规则来发现并消除人为添加的冗余信息,以提高信息传输的可靠性。

2.7 调制与解调

经过信源编码和信道编码后得到的数字信号称为数字基带信号(频率比较低,容易衰落,不适合长距离传输)。

由于传输失真、传输损耗等原因,数字基带信号无法在无线信道中进行长距离传输。 为了进行长距离传输,数字信号必须经过调制,并且必须将信号频谱移至高频,然后才能在信道中传输。

也可以从另一个角度来理解,因为在无线通信中,信号是以电磁波的形式在空气中传输的,而电磁波是连续的模拟信号,所以调制的目的就是将模拟或数字信号变换为传输成适合传输的内容。 模拟信号,调制后的信号称为调制信号,调制后的信号称为调制信号。

通过随着信号幅度的变化改变高频载波的幅度(ASK)、相位(PSK)或频率(FSK)来实现调制。 当然,具体的调制方式多种多样。

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ASK、FSK 和 PSK

调制过程用于通信系统的发送端。 在接收端,需要将调制信号恢复为要发送的原始信号,这是从载波中提取调制信号以便被预期接收者处理的过程。 这个过程称为解调。

由此,我们可以更加清晰地构建出无线通信系统的示意图:

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无线通信系统图

2.8 物联网常用无线通信技术介绍

包括:NB-IoT、LTE-M(LTE-Machine-to-Machine,这是一种基于LTE演进的物联网技术,在R12中称为Low-Cost MTC,在R13中称为LTE增强型MTC(eMTC),旨在满足基于现有LTE运营商的物联网设备需求)、Z-Wave(丹麦Zensys自主开发的私有无线标准)、LoRa、SigFox、WiFi、蓝牙、RFID等。

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讲到这里就足够讲无线通信的原理了。 作为科普,应该足够了。 接下来我们就来说说一些具体的物联网技术。 这是一种分享和回顾。

题外话:

所谓“物联网”只是一个泛IT概念。 通俗来讲就是通信技术、计算机技术、电子技术三大领域的融合,分别涉及应用层面(手机和电脑)的App开发、服务器开发、嵌入式软件开发等多个领域的细分技术(智能终端软件)、硬件开发(智能终端硬件)、算法设计、通信协议、前端开发、系统架构、方案设计等。

如果你打算做物联网研发,可以根据自己的技术基础选择更细粒度的技术领域,争取垂直专业化,进行系统研究;

如果你打算搭建物联网系统和解决方案架构,就必须在某一技术领域的研发基础上,从更全面、更大粒度的角度学习其他相关领域的知识,掌握物联网的全貌。物联网实施,并形成T型知识结构;

如果你打算做销售,可以从物联网各层产品的基本原理、功能、性能、适用场景等大粒度的角度学习,做到横向熟悉。

每个人都有自己的专业领域,我们将以通信技术和云计算领域为基础,帮助该领域的每个人了解物联网!

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