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  • IEEE1284被 USB 接口取代,PATA被 SATA 取代,PCI被 PCI-Express 所取代,无一不证明了传统并行接口的速度已经达到一个瓶颈了,取而代之的速度更快的串行接口,于是原本用于光纤通信的SerDes 技术成为了为高速串行...

    随着电子行业技术的发展,特别是在传输接口的发展上,IEEE1284被 USB 接口取代,PATA被 SATA 取代,PCI被 PCI-Express 所取代,无一不证明了传统并行接口的速度已经达到一个瓶颈了,取而代之的是速度更快的串行接口,于是原本用于光纤通信的SerDes 技术成为了为高速串行接口的主流。串行接口主要应用了差分信号传输技术,具有功耗低、抗干扰强,速度快的特点,理论上串行接口的最高传输速率可达到10Gbps 以上。
    SERDES是英文SERializer(串行器)/DESerializer(解串器)的简称。它是一种主流的时分多路复用(TDM)、点对点(P2P)的串行通信技术。即在发送端多路低速并行信号被转换成高速串行信号,经过传输媒体(光缆或铜线),最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号。这种点对点的串行通信技术充分利用传输媒体的信道容量,减少所需的传输信道和器件引脚数目,提升信号的传输速度,从而大大降低通信成本

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  • 主要的通用学习实用程序(GLU)库,用于在不同的学习技术和智能系统之间通信数据。 从原始的封闭源代码版本开始添加单元测试并移植其他功能仍在最终确定中。 要求: 从技术上讲可选的,但很重要: lxml:至少...
  • 我们首先要了解什么低功耗广域网,它的英文全称为Low Power Wide Area Network(简写:LPWAN) ,即低功耗广域网络,区别于我们日常所熟知的3-4-5G远距离通讯网络,主要用于设备之间的通讯,这种通讯技术具有网络...

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    01

    什么是LoRa?与LoRaWAN的区别是?

    要明白什么是LoRa,我们首先要了解什么是低功耗广域网,它的英文全称为Low Power Wide Area Network(简写:LPWAN) ,即低功耗广域网络,是区别于我们日常所熟知的3-4-5G远距离通讯网络,主要用于设备之间的通讯,这种通讯技术具有网络覆盖范围广、终端功耗低等特点比较适合大规模的物联网应用部署。具体包含NB-IOT、LoRa、Sigfox、eMTC四种,其中NB-IOT、LoRa近年来备受市场的关注和追捧。

    接下来我们来谈谈今天的主角,LoRa。

    LoRa是一种线性调频扩频的调制技术,最早由法国人发明,2012 年该技术被 Semtech公司收购,并将这一调制技术封装到芯片中,比如说lora的网关和终端。目前lora芯片被Semtech公司独家垄断,没有授权任何公司无法设计制造LoRa芯片。但是随着技术的发展,该技术逐渐得到市场的认可,LoRa的朋友圈、产业生态圈不断扩大,由全球众多厂家所组成的LoRa联盟相继成立,LoRaWAN通讯技术规范也开始逐渐形成并成熟。

    总体来说垄断的LoRa芯片在一定程度上将抑制创新的发展,但是在市场机制的作用下,Semtech在2018年改变了产品营销模式,授权 IP 给一些公司做 LoRa 产品,获取授权的LoRa 芯片供应厂家通过走差异化路线,融合了其它不同功能的,满足更多差异化应用的需求,来共同做大市场。 如 LoRa+GPS 获取位置信息;+BLE 与本地近场设备连接通信;+安全芯片增强设备的安全性等。

    那么以上提到的LoRa、LoRaWAN、LPWAN他们具有怎么样的关系呢?

    LoRa:是Semtech拥有的专有调制格式(将需要传输的数据调制到某个特定的频率发送出去,如平常听的广播FM88.6,这里的FM指的就是调制模式,而88.6就是载波频率,所以你听到的广播声音就是坐着88.6Mhz的空中列车到达你的收音机)。目前,LoRa 主要在全球免费频段(即非授权频段)运行,主要包括433、868、915MHz等。

    它可以根据实际传输需要改变自己的发送频率,实现跳频,以避免其它频率的干扰,因此具有较好的抗干扰性。
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    LoRaWAN:是低功耗广域网通信协议,规范了LoRa调制后数据传输相关要求,可理解为定义一个规范的、统一的“语言”进行数据传输,使得其它设备能够顺利沟通,大家都说一样的话,遵守同样的语法。

    因为LoRa是处于链路层,只是为网络层的LoRaWAN提供数据传送服务,由LoRaWAN将信息发送到其它的云服务器。

    LPWAN:LPWAN就是我们上文所提及的低功耗广域网,严格上来说LoRa或者LoRaWAN中某任何一种都不能算是LPWAN,它应该由二者所组成,即LoRa+LoRaWAN=LPWAN。

    02

    Lora组网通讯及工作方式?

    Lora采用采用星状拓朴(TMD 组网方式)组网,而不是拓扑组网,星状拓朴结构不存在用不相关的节点转发消息,发生传输路径迂回等问题,可以有效降低网络系统复杂性与总功耗。

    Lora星状拓朴组网主要由4部分构成:

    带有Lora通讯模块的设备终端节点

    终端节点一般用电池供电,能够远程定位。通常终端设备还具有相应的数据传感器用于数据的收集,然后通过Lora通讯模块将数据打包发送给网关。一个终端节点可以给多个网关发数据。

    Lora网关
    Lora网关是一个透明传输的中继,连接终端设备和后端中央服务器(网关与服务器通过标准IP连接)。可以理解为数据信息的中转站和集中站,类似于快递点,大家都把东西先放到一个点,由这个点再去分发东西。

    每个网关具有各自的管辖范围,可以收到管辖范围内所有终端设备发送的数据,同时一个网关也可以给多个设备发送数据。

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    网络服务器(LoRaWAN协议解析服务器)

    由网关收集汇总上来的LoRaWAN协议数据需要进行数据格式转换和解析,便于二次分发传输,可以把LoRaWAN理解地方方言,某一地域的人才能通用(Lora相关设备通讯互通),要是信息需要共享给外部,则要翻译成更加统一和规范的普通话。

    此外,LoRaWAN协议解析服务器还能够对网关和终端设备实现远程配置和管理。

    应用服务器(云端)

    应用服务器比较好理解,收集上来的LoRa设备数据需要进行统计、展示、分析,就需要相应的后台操作界面,对应的就需要有应用端的服务器作为支撑。

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    LoRaWAN协议定义的三种工作模式

    ClassA(省电模式):终端首先发送数据,数据到达服务器后,终端数据接收窗口才打开,才能接受服务器发来的数据。

    ClassB(约定模式):终端和服务器可以设置数据接收窗口开放时间,数据上报频次、数据量等。

    ClassC(极速模式):终端在发送之外的其他时间打开接收窗口,随时准备数据交互,消耗更多能量,但通信延迟最低。

    03

    Lora技术特殊功能——测距定位

    目前,人们日常所使用的任何的应用都离不开定位,举个最简单的例子,没有定位导航地图,你现在能去到任何一个你想去的地方吗?目前的定位通常使用的是GPS或者北斗,但是LoRa技术能基于自身特点也实现定位功能,但目前的精度为几十到几百米,对于精度要求不高但是需要定位的特殊场景还是挺不错的解决方案。接下来让我们一起来看看它的实现原理吧。

    当终端的数据包到达网关时,网关并不知道数据包来自哪个终端设备,但是有数据包的接收时间戳(大前提:所有的终端、网关时间同步),核心的原理就是:

    距离=电磁波速度*时间

    3点空间定位(x/y/z),至少要有3个以上的网关能够接收数据

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    大致的流程为:
    首先,终端发送数据给范围内的网关(至少3个——空间定位);其次,网关捕获高精度的到达时间;再次,网络服务器端的算法比较到达时间、信号强度、信噪比和其他参数来计算终端节点的最可能的位置;最后,通过以上步骤计算结果、路径进行交叉集中验证到某一个点或者小范围区域,就可以大致确定终端的具体位置了。

    04

    Lora典型场景应用介绍

    因为LoRa具有安全、可定位、远距离、低功耗、多节点、范围广、低成本、低速率、小数据传输等特点,应用核心在于数据采集+异常结果上报。涉及应用场景主要有家庭安防报警及远程无钥匙进入;智能家居;无线报警安全系统;无线工业级遥控器;智能抄表;道路泊车检测器;野外郊区作业,如矿业、郊区重工业等。

    具体的我们以牛联网为例。

    以往的牧场牛经常丢失而且牛的繁殖品质(错过发情期没有进行交配的牛,需要打激素)不能很好的把控,造成较大的经济损失。如果在牛身上安装LoRa模块+激素检测装置,就可以识别到奶牛的位置和及时安排未受精的奶牛进行交配,然后农场主只需要租用一个服务器,在电脑终端设备上进行奶牛的数字化管理。

    总的来说,目前LoRa还处于发展阶段,因为LoRa的组网门槛低而且星状的终端+网关的拓扑组网模式较为简便、成本也不高,而且数据是组网的个人或者机构自有,具有很高的安全性,目前一些大厂如腾讯都在使用该技术。

    05

    Lora优、缺点?

    优点

    1、部署简单、成本低且安全:不需要建设基站,一个网关便可控制较多设备,一般企业或个人自己可搭建,部署灵活、数据保密性强。
    2、远传输距离:城镇可达2-5 Km ,郊区可达15 Km(考虑信号干扰、遮挡)。
    3、抗干扰性强:多传输频段自由切换。
    4、远距离、可定位:部署范围广(尤其是3-4-5G蜂窝网络无法覆盖的地方)还可实现一定精度的定位功能。
    5、低功耗:一个终端设备通常可以用5-10年,不用充、换电。

    缺点

    1、传输速率较低:0.3-50Kbps,速率越低传输距离越长。

    2、有清频风险:工作频段没有授权,频段可能被占用。

    3、芯片垄断:被Smetch公司垄断,产业链发展受到一定的抑制,虽然已发展出来LoRa 联盟。

    往期精彩回顾:

    1、物联网、人工智能、云计算、大数据及5G的区别及联系?

    2、RTSP、RTMP、HLS流媒体协议的区别与联系(文末福利真香预警)

    3、物联网技术:射频识别技术RFID解析

    4、物联网LPWA通信技术(1):NB-IOT通信特点及主要场景应用

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  • 串行通信技术SERDES

    千次阅读 2009-08-10 10:29:00
    过去主要用于光纤通信的串行通信技术——SERDES正在取代传统并行总线而成为高速接口技术的主流。本文阐述了介绍SERDES收发机的组成和设计,并展望了这种高速串行通信技术的广阔应用前景。 SERDES英文SERializer...

     

    串行通信技术SERDES

    随着对信息流量需求的不断增长,传统并行接口技术成为进一步提高数据传输速率的瓶颈。过去主要用于光纤通信的串行通信技术——SERDES正在取代传统并行总线而成为高速接口技术的主流。本文阐述了介绍SERDES收发机的组成和设计,并展望了这种高速串行通信技术的广阔应用前景。

     

     

    SERDES是英文SERializer(串行器)/DESerializer(解串器)的简称。它是一种时分多路复用(TDM)、点对点的通信技术,即在发送端多路低速并行信号被转换成高速串行信号,经过传输媒体(光缆或铜线),最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号。这种点对点的串行通信技术充分利用传输媒体的信道容量,减少所需的传输信道和器件引脚数目,从而大大降低通信成本。

     

    SERDES技术最早应用于广域网(WAN)通信。国际上存在两种广域网标准:一种是SONET,主要通行于北美;另一种是SDH,主要通行于欧洲。这两种广域网标准制订了不同层次的传输速率。目前万兆(OC-192)广域网已在欧美开始实行,中国大陆已升级到2.5千兆(OC-48)水平。SERDES技术支持的广域网构成了国际互联网络的骨干网。

     

    SERDES技术同样应用于局域网(LAN)通信。因为SERDES技术主要用来实现ISO模型的物理层,SERDES通常被称之为物理层(PHY)器件。以太网是世界上最流行的局域网,其数据传输速率不断演变。IEEE2002年通过的万兆以太网标准,把局域网传输速率提高到了广域网的水平,并特意制订了提供局域网和广域网无缝联接的串行WAN PHY。与此同时,SERDES技术也广泛应用于不断升级的存储区域网(SAN),例如光纤信道。

     

    随着半导体技术的迅速发展,计算机的性能和应用取得了长足进步。可是,传统并行总线技术——PCI却跟不上处理器和存储器的进步而成为提高数据传输速率的瓶颈。新一代PCI标准PCI Express正是为解决计算机IO瓶颈而提出的(见表1)PCI Express是一种基于SERDES的串行双向通信技术,数据传输速率为2.5G/通道,可多达32通道,支持芯片与芯片和背板与背板之间的通信。国际互联网络和信息技术的兴起促成了计算机和通信技术的交汇,而SERDES串行通信技术逐步取代传统并行总线正是这一交汇的具体体现。

     

    SERDES系统的组成和设计

    基于SERDES的高速串行接口采用以下措施突破了传统并行I/O接口的数据传输瓶颈:一是采用差分信号传输代替单端信号传输,从而增强了抗噪声、抗干扰能力;二是采用时钟和数据恢复技术代替同时传输数据和时钟,从而解决了限制数据传输速率的信号时钟偏移问题。

    图1: SERDES收发机的组成模块。

    一个典型SERDES收发机由发送通道和接收通道组成(见图1):编码器、串行器、发送器以及时钟产生电路组成发送通道;解码器、解串器、接收器以及时钟恢复电路组成接收通道。顾名思义,编码器和解码器完成编码和解码功能,其中8B/10B64B/66B和不规则编码(scrambling)是最常用的编码方案。串行器和解串器负责从并行到串行和从串行到并行的转换。串行器需要时钟产生电路,时钟发生电路通常由锁相环(PLL)来实现。解串器需要时钟和数据恢复电路(CDR),时钟恢复电路通常也由锁相环来实现,但有多种实现形式如相位插植、过剩抽样等。发送器和接收器完成差分信号的发送和接收,其中LVDSCML是最常用的两种差分信号标准。另外还有一些辅助电路也是必不可少的,例如环路(loopback)测试、内置误码率测试等等。

     

    通信标准制订了严格的性能指标以确保系统的可靠性和互用性。SERDES芯片的主要性能指标包括抖动产生、抖动容忍、抖动转移以及系统误码率(BER)等。抖动产生取决于时钟发生电路特别是压控振荡器(VCO)的相位噪声;抖动容忍取决于时钟恢复电路容忍抖动的能力,而抖动转移是在用作中继器时必须满足的指标,同时取决于时钟发生和时钟恢复电路的性能。系统误码率(通常要求低于10-12)由时钟抖动性能、发送器信号幅度、接收器灵敏度以及链路信道特性共同决定。对于普通FR4印刷电路板而言,趋肤效应和介质损耗导致的码间(intersymbol)干扰是限制背板传输速率和距离的最主要因素。因此,信号均衡甚至自适应均衡技术正在成为SERDES芯片的核心技术。信号均衡技术可以在发送端实现,称之为预加重(pre-emphasis),也可以在接收端实现,例如判决反馈均衡。目前采用先进的均衡技术可以实现40英寸(1)距离的10G背板传输。

     

    SERDES芯片的设计需要模拟和数字两方面即混合信号的设计经验。例如锁相环的设计,其中压控振荡器属于模拟电路,而检相器和分频器属于数字电路。SERDES芯片普遍采用低成本、低功耗的CMOS工艺,但CMOS工艺往往达不到高速混合信号的速度要求。因此设计人员必须采用特殊的高频宽带电路设计技术,例如螺旋电感可以用来提高电路速度和带宽。另外,模拟和数字电路共存于同一硅片上,容易产生电源同步噪声(SSN)和地反弹以及信号串扰。因此保持信号的完整性是混合信号设计人员面临的一项挑战。与此同时,芯片封装和印刷电路板的设计与仿真也是SERDES设计不可或缺的一环。当前SERDES设计逐渐IP(知识产权)化,即SERDES收发器作为商业化IP模块而嵌入到需要高速I/O接口的大规模集成电路中。

     

    SERDES技术的应用

    最早用于光纤通信的SERDES技术会继续在信息高速公路的建设中发挥主导作用。而计算机和通信的融合为SERDES技术开辟了更为广阔的应用前景。基于SERDES技术的高速串行接口正在成为一种通用的IO接口标准。近年来世界上有多个标准组织已经或正在制订从1G10G的高速串行接口标准(见表2)1~6G+SERDES产品为当前高速串行接口标准的主流,其中2.5G/3.125G为第一代产品,5G/6.25G为第二代产品。这些芯片采用0.18微米的CMOS工艺就可以实现。

    表1: 计算机外围设备接口的数据传输速率。

     

    信息高速公路主要由以光纤作为传输媒体的广域网(SONET)和局域网(以太网)组成。广域网和局域网分别向近距离和远距离渗透,在城域网(MAN)交汇。而且,在广域网上传输以太网数据包的协议(Ethernet over SONET)使得广域网和局域网的界限更为模糊。随着互联网络信息流量的增长,对信息存储容量的需求也大大增长。目前有三种常用的信息存储方式:直接连接存储(DAS)、网络连接存储(NAS)和专用存储区域网(SAN)。最简单的直接连接存储是通过小型计算机系统接口(SCSI)把磁盘驱动器直接连接到服务器上。网络连接存储是把存储设备连接到局域网而存储信息的传输需要通过局域网进行。SAN采用光纤信道技术,是连接服务器和存储设备的专用网络。

     

    表2: 高速串行接口标准一览

     

    SERDES技术的应用从光纤通信发展到计算机通用I/O接口,其传输媒体也由光纤发展到铜线或背板。InfiniBand是一种采用电缆或背板作为传输媒体的高速串行接口,主要用于数据中心服务器和存储设备之间的通信。RapidIO是一种面向嵌入式系统的总线结构,有并行和串行两种规范,主要用于嵌入系统的处理器总线,局部I/O总线及背板。光互联论坛(OIF)制订了多种光纤通信芯片之间的接口标准,其中公共电气接口(CEI)把背板通信速率提高到6G11G的水平。作为计算机接口技术从并行向串行的标志性转变,PCI Express将会取代PCIPCI-X而成为外围设备(网络、存储和视频)的通用高速接口标准。在此转变过程中,提供向下兼容的 “桥接器件”会率先推向市场,随后是完全基于PCI Express的外围设备板卡。与此同时,PCI Express的应用也向通信领域拓展,基于PCI Express架构的“先进交换”就是面向通信而提出的。PCI工业计算机制造商协会(PICMG)正在制订一系列称之为先进电信计算架构(AdvancedTCA)的规范,包括对背板、电源、散热、机械和系统管理等方面的要求,旨在为下一代电信设备提供标准化的通用平台。


    作者:王守军,Email: shoujunwang@ieee.orgAltera公司

     

     

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  • 近场通信技术

    千次阅读 2012-01-07 21:13:13
    近场通信(Near Field Communication,NFC),又称近距离无线通信,一种短距离的高频无线通信技术,允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输(在十厘米内)交换数据。这个技术由免接触式射频识别(RFID)演变...
     近场通信(Near Field Communication,NFC),又称近距离无线通信,是一种短距离的高频无线通信技术,允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输(在十厘米内)交换数据。这个技术由免接触式射频识别(RFID)演变而来,并向下兼容RFID,最早由Philips、Nokia和Sony主推,主要可能用于手机等手持设备中。由于近场通讯具有天然的安全性,因此,NFC技术被认为在手机支付等领域具有很大的应用前景。[1]
    
      NFC 将非接触读卡器、非接触卡和点对点(Peer-to-Peer)功能整合进一块单芯片,为消费者的生活方式开创了不计其数的全新机遇。这是一个开放接口平台,可以对无线网络进行快速、主动设置,也是虚拟连接器,服务于现有蜂窝状网络、蓝牙和无线802.11设备。
      NFC可兼容索尼公司的FeliCaTM卡以及已广泛建立的非接触式智能卡架构,该架构基于ISO 14443 A,使用飞利浦的MIFARE?技术。
      与RFID一样,NFC信息也是通过频谱中无线频率部分的电磁感应耦合方式传递,但两者之间还是存在很大的区别。首先,NFC是一种提供轻松、安全、迅速的通信的无线连接技术,其传输范围比RFID小,RFID的传输范围可以达到几米、甚至几十米,但由于NFC采取了独特的信号衰减技术,相对于RFID来说NFC具有距离近、带宽高、能耗低等特点。 其次,NFC与现有非接触智能卡技术兼容,目前已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准。再次,NFC还是一种近距离连接协议,提供各种设备间轻松、安全、迅速而自动的通信。与无线世界中的其他连接方式相比,NFC是一种近距离的私密通信方式。最后,RFID更多的被应用在生产、物流、跟踪、资产管理上,而NFC则在门禁、公交、手机支付等领域内发挥着巨大的作用。
      同时,NFC还优于红外和蓝牙传输方式。作为一种面向消费者的交易机制,NFC比红外更快、更可靠而且简单得多,不用向红外那样必须严格的对齐才能传输数据。与蓝牙相比,NFC面向近距离交易,适用于交换财务信息或敏感的个人信息等重要数据;蓝牙能够弥补NFC通信距离不足的缺点,适用于较长距离数据通信。因此,NFC和蓝牙互为补充,共同存在。事实上,快捷轻型的NFC协议可以用于引导两台设备之间的蓝牙配对过程,促进了蓝牙的使用。

      NFC手机内置NFC芯片,组成RFID模块的一部分,可以当作RFID无源标签使用———用来支付费用;也可以当作RFID读写器———用作数据交换与采集。NFC技术支持多种应用,包括移动支付与交易、对等式通信及移动中信息访问等。通过NFC手机,人们可以在任何地点、任何时间,通过任何设备,与他们希望得到的娱乐服务与交易联系在一起,从而完成付款,获取海报信息等。NFC设备可以用作非接触式智能卡、智能卡的读写器终端以及设备对设备的数据传输链路,其应用主要可分为以下四个基本类型:用于付款和购票、用于电子票证、用于智能媒体以及用于交换、传输数据。

    和传统的近距通讯相比,近场通讯(NFC)就有天然的安全性,以及连接建立的快速性,具体对比如下表[1]

      

      NFC 蓝牙 红外
    网络类型 点对点 单点对多点 点对点
    使用距离 ≤0.1m ≤10m ≤1m
    速度 106, 212, 424 kbps
    规划速率可达868 kbps
    721 kbps 115kbps
    2.1 Mbps ~1.0 Mbps
    建立时间 < 0.1s 6s 0.5s
    安全性 具备, 硬件实现 具备,软件实现 不具备, 使用IRFM 时除外
    通信模式 主动-主动/被动 主动-主动 主动-主动
    成本
    NFC天线

      一种近场耦合天线,由于13.56Mhz波长很长,且读写距离很短,合适的耦合方式是磁场耦合,线圈是合适的耦合方式。 业界在手机中通常采用磁性薄膜(如TDK等公司生产)贴合FPC方式来做天线。一种新技术是磁性薄膜与FPC合一,也即磁性FPC

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空空如也

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