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物联网涉及到多种技术的交叉结合，我们可以简单认为，物联网就是把一件终端设备 A （传感器、智能终端、嵌入式设备等）连到网络上，然后通过另一个终端设备 B（手机、电脑等） 监控和远程操作终端设备 A。这一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则是“无线通讯技术”。

今天无线通信原理与应用第二版答案，我们就来普及一下“无线通讯”的原理。

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1 通信手段的发展

通信是一个相当古老的领域，可以简单的理解为生物之间的交流，沟通，这种“沟通”是通过所谓的“信号”，自人类出现以来，早期的通信基本靠吼，然后我们有了书信邮政等手段，直到贝尔发明了电话，摩尔斯发明了电报，大幅缩减了人与人沟通的距离，而当马可尼在 1901 年把长波无线电信号从英国西南部的康沃尔，跨过大西洋传送到 3200 公里之外的加拿大的纽芬兰岛时，则标志着人类进入了无线通信时代。

无线通信的诞生

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2 无线通信原理

2.1 关于电磁波及频谱

所谓无线通信，就是利用电磁波的辐射和传播，经过空间传输信息的通信方式。电磁辐射由低频率到高频率，可以分为：无线电波、微波、红外线、可见光（人眼可接收到的电磁波）、紫外线、X 射线（医院做透视的 X 光）和伽马射线（癌症的放射治疗）。

无线通信所使用的频谱是所有电磁波谱中的一部分，全世界的国家就无线通信标准达成了一致。联合国的 ITU（国际电信联盟） 就是管理机构，它确定了国际无线服务的标准，包括频率分配、无线通信设备使用的信号传输和协议、无线传输及接收设备、卫星轨道等。

随着无线通信业务的飞速发展，全世界各国对无线频谱资源的需求越来越多，频谱资源就成了公认的稀缺资源。

2.2 窄带、宽带及扩频信号

无线通信技术根据信号使用了无线频谱的部分大小而有所不同。

（1）窄带信号，就是发射器在一个单独的频率或者非常小的频率范围上集中信号能量。

（2）宽带信号，就是指使用无线频谱的相对较宽的频带上传输信号。

（3）扩频信号，则是使用多个频率来传输信号，换句话说，在传输过程中，信号从来不会持续停留在一个频率范围内。在较宽的频带上分布信号使得扩频信息的每一个频率所需要的功率比窄带信号传输更小，这也使得扩频信号更不容易干扰在同一个频带上传输的窄带信号。

在多个频率上分布信号的另一个结果是提高了安全性。因为信号是根据一个只有获得授权的发射器和接收器才知道的序列来分布的，所以未获授权的接收器更难以捕获和解码这些信号。

2.3 无线信号的传播

电磁波不依靠介质传播，在真空中的传播速度等同于光速，其传输路径一般情况都是直线传播，但是由于阻碍物的存在，还会产生透射、反射、散射、绕射和衍射这几种传输路径。

无线信号的传播

无线信号的多路径性质既是一个优点也是一个缺点。一方面，因为信号在障碍物上反射，所以它们更可能到达目的地。在办公楼这样的环境中，无线服务依赖于信号在墙壁、天花板、地板以及家具上的反射，这样最终才能到达目的地。

多路径信号传输的缺点是因为它的不同路径，会导致同一个信号将从不同的传输路径，在不同的时间到达接收器，导致衰落和延时，这是无线通信的一大挑战。

2.4 模拟信号和数字信号

在聊无线通信之前，我们需要弄清模拟和数字的关系：所谓模拟信号就是一个连续变化的电磁波，而数字信号是一个电压脉冲序列。传统的固定电话通信是典型的模拟数据（声波）通过模拟信号传输；而家庭宽带上网则是典型的数字数据（计算机只能处理数字信号）通过模拟信号（由调制解调器完成调制）传输无线通信原理与应用第二版答案，同时模拟信号也可以转换成数字信号（由调制解调器完成解调）；互联网内的通信则是典型的数字数据通过数字信号传输。

数字信号和模拟信号

2.5 信号和噪声

无线信道噪声相对于有用信号来说，通俗的讲就是干扰。如果噪声干扰不去除，当噪声的频率和幅度达到一定程度时，就会淹没有用信号，从而使得有用信号很难解调。就会造成信号失真，严重的会使得通信无法正确和有效的进行，这是无线通信的另一大挑战。

信号和噪声

为了解决噪声干扰问题，通常采用滤波器对有用信号外的无用信号进行过滤。

2.6 编码和解码

信号在发射端进行编码，在接收端进行解码，编解码包括信源和信道两方面。

（1）信源编码：把语言、图像、视频等原始信号转为数字信号进行的编码

我们一般需要传输的信息除开语音之外，还有图像、视频这些多媒体数据，这些大数据量的信息会给无线通信系统及无线频谱资源产生极大的压力和占用。这时就必须要考虑压缩，从信息论的角度来看，压缩就是去掉信息中多余的内容。所以我们可以理解信源编码的目的是降低数据率，提高信息量效率。

（2）信道编码：在被发送信息上增加冗余的数据

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的。攻城狮们根据一定的规律在待发送的信息中人为的加入一些必要的多余信息，在接收端利用这些规律，发现和剔除人为添加的多余信息，以提高信息传输的可靠性。

2.7 调制和解调

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，很容易衰落，不适合远距离传输）。

由于传输失真、传输损耗等原因，数字基带信号是无法在无线信道进行长距离传输的。为了进行长途传输，必须对数字信号进行调制，将信号频谱搬移到高频处才能在信道中传输。

也可以从另一角度理解，因为在无线通信中，信号在空中以电磁波的形式进行传输，而电磁波是连续的模拟信号，所以调制的目的就是把要传输的模拟信号或数字信号变换成适合传输的模拟信号，调制后的信号称为已调信号，而被调制的信号称为调制信号。

调制可以通过使高频载波随信号幅度的变化而改变载波的幅度（ASK）、相位（PSK）或者频率（FSK）来实现，当然，具体的调制方式是多种多样的。

ASK，FSK 和 PSK

调制过程用于通信系统的发射端。在接收端需将已调信号还原成要传输的原始信号，也就是将调制信号从载波中提取出来以便预定的接受者处理的过程。该过程称为解调。

由此一来，我们就可以较为清晰的构建出无线通信的系统简图了：

无线通信系统简图

2.8 物联网中常用的无线通信技术简介

包括：NB-IoT、LTE-M（即 LTE-Machine-to-Machine，是基于 LTE 演进的物联网技术，在 R12 中叫 Low-Cost MTC，在 R13 中被称为 LTE enhanced MTC (eMTC)，旨在基于现有的 LTE 载波满足物联网设备需求），Z-Wave（丹麦 Zensys 独立开发的私有无线标准），LoRa、SigFox、WiFi、蓝牙、RFID 等。

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关于无线通信的原理就聊到这里，作为科普来说，应该够了，接下来我们就来陆续聊一些具体的物联网技术了，算是一种分享，也是温习。

题外话：

所谓“物联网”，不过是一个泛 IT 的概念而已，总的来说，它是通信技术、计算机技术和电子技术这三大领域的融合，分别涉及到应用层面的 App 开发(手机和电脑)，服务器开发、嵌入式软件开发（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、解决方案设计等诸多领域的细分技术。

如果你打算做物联网研发，可以根据自身的技术基础，选取某一较细粒度的技术领域，务求纵向专精，进行系统的钻研；

如果打算做物联网系统和解决方案架构，则要在某一技术领域研发的基础上，从更全面的和更大粒度的角度，去研究其他相关领域的知识，掌握物联网实现的全貌，形成 T 型知识架构；

如果打算做销售，则可以从物联网各层产品的基本原理、功能、性能、适用场景这种大粒度的角度进行学习，务求横向熟悉。

每个人都有各自擅长的领域，而咱们则会以通信技术和云计算领域为基点，带领域各位去了解物联网！

看完本文有什么想说的吗？欢迎大家留言讨论哦~