27、短距离无线数据传输系统解析-优快云博客

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短距离无线数据传输系统解析

1. 短距离无线数据传输概述

在短距离无线数据传输领域，有多种连接方式可供选择，包括IrDA红外光束连接、高频蓝牙无线电连接、Wifi连接以及由IEEE 802.11b标准定义的其他类型连接。这些连接方式各自具有独特的特点和应用场景。

2. IrDA连接

发展与应用 ：IrDA调制红外无线连接于20世纪80年代初由红外数据协会引入。此后，这种控制方法不仅在日常生活中得到广泛应用，还在办公室、实验室和工业环境中大量使用。其优势在于无需布线，并且能使单个设备与电源网络以及彼此隔离。在测量技术中，该连接可用于从可触摸物体甚至移动物体传输数据，且投资成本极低。
连接参数 ：IrDa 1.0和1.1版本的可连接距离约为1米，传输速度范围从2.4 kb/s到16 Mb/s，可在最高10,000 lx的正常日光下工作。此外，还有低功耗版本的IrDa，其传输速度最高可达115.2 kb/s。
传输协议 ：
- IrLAP（IrDA红外链路访问协议）：是为IrDA通信修改的HDLC协议，定义了设备之间的通信方式、编号，并将连接的默认传输速度设置为9.6 kb/s，还定义了传输同步并创建设备间的通信通道。
- IrLMP（IrDA红外链路管理协议）：定义了如何检测新连接的设备。
- TinyTP（IrDA传输协议）：定义了设备间虚拟通道的创建、传输错误的纠正以及数据分组（类似于TP）。
- IrOBEX（IrDA对象交换协议）：是带有PUT和GET命令的协议，允许在设备间传输二进制数据。还有适用于移动设备的扩展协议，通过拨打用户号码或短信消息定义数据传输。
- IrTran - P（红外传输图片）：是用于通过IrDa连接从数码相机传输图像的规范。
电路与调制 ：红外连接电路由发光二极管（LED）产生调制红外光束，该光束由快速光电二极管转换为脉冲序列，解码后由通用异步收发器（UART）传输到相应设备。传输信号调制使用宽度等于其持续时间3/16的脉冲，传输数据信号的逻辑0电平对应驱动LED的一个或多个电流脉冲或接收光电二极管产生的脉冲。
参数标准 ：
| 参数 | 典型值 | 极限值 |
| — | — | — |
| 范围 | 1 m | 3 m |
| 覆盖角度 | ±15° | ±30° |
| 传输速度 | 2.4 kb/s到4 Mb/s | 16 Mb/s |
| 错误率 | 10 - 8 | - |
| 波长 | 850 - 900 nm | 900 nm |

不同传输速度下的调制类型、脉冲参数、光束强度和接收器灵敏度如下表所示：
| 传输速度 | 调制类型 | 最小脉冲持续时间 | 标称脉冲持续时间 | 光束强度 | 接收器灵敏度 |
| — | — | — | — | — | — |
| 19.2 kb/s | RZI | 1.41 ms | 9.77 ms | 40 mW/SR 4 mW/cm² | |
| 38.4 kb/s | RZI | 1.41 ms | 4.88 ms | 40 mW/SR 4 mW/cm² | |
| 57.6 kb/s | RZI | 1.41 ms | 3.26 ms | 40 mW/ SR 4 mW/cm² | |
| 115.2 kb/s | RZI | 1.41 ms | 1.63 ms | 40 mW/ SR 4 mW/cm² | |
| 576 kb/s | RZI | 295.2 ns | 434 ns | 100 mW/SR 10 mW/cm² | |
| 1.152 Mb/s | RZI | 147.6 ns | 217 ns | 100 mW/SR 10 mW/cm² | |
| 4 Mb/s | 4PPM | 115.0 ns | 125 ns | 100 mW/SR 10 mW/cm² | |
| 16 Mb/ps | HHH (1,13) | 38.3 ns | 41.7 ns | 100 mW/SR 10 mW/cm² | |
调制技术 ：RZI（归零反相）、四脉冲调制4PPM（四脉冲位置调制）及其快速变体HPPM调制（高脉冲位置调制）用于通过IrDa接口传输数据，这些调制可实现高达16 Mb/s的传输速度。IrDa 1.4标准可将传输速度提高到100 Mb/s。

3. 蓝牙连接

基本特性 ：这种低能量无线电连接工作在2.45 GHz频段，可在约100米的距离内实现高达1 Mb/s的数据传输速率。最初由爱立信设计，后来成为用于定位设备和控制器（鼠标、操纵杆）、打印机、扫描仪、内存读取器、条形码和二维矩阵码以及移动电话的低容量计算机无线外设。
与IrDA的区别 ：蓝牙连接允许连接多达八个设备，而IrDa连接仅允许连接两个设备。此外，蓝牙连接的无线电波范围明显高于IrDA传输，其无线电波长度为13 cm，比长度为900 nm的红外辐射波传播得更好，传输范围为10 - 100 m，具体取决于气候条件。而且，蓝牙连接的使用无需许可证。
频率范围 ：
| 频率范围 | 发射功率 | 备注 |
| — | — | — |
| 902 - 928 MHz | <10 mW | 仅美国 |
| 2400 - 2483.5 MHz | <10 mW | 欧洲、亚洲和美国 |
| 5725 - 5875 MHz | <25 mW | 欧洲、亚洲和美国 |
版本发展 ：蓝牙数据传输技术由IEEE 802.15.1标准标准化，属于个人区域网络（PAN）类别，有多个版本。2020年推出的蓝牙2.0规范在大多数设备（如手机、笔记本电脑和电视）中实现。蓝牙2.0 EDR（增强数据速率）规范引入了4 - DQPSK调制技术，将传输数据吞吐量提高到蓝牙1.2的三倍，即2.1 Mb/s。2011年开发了蓝牙4.0接口，传输范围可达100 m，随后是蓝牙4.1版本和2014年的蓝牙4.2版本。自2016年起，有传输速度高达2 Mb/s的蓝牙5.0版本，该版本允许从2 Mb/s到125 Kb/s的四种传输速度选择。
蓝牙5.0优势 ：蓝牙5版本解决了蓝牙4.2广播消息大小受限（仅31字节）的问题，可传输高达255字节的消息，适用于广告市场或导航用的信标等。它与以前的版本向后兼容，功耗更低，对电磁干扰的抵抗力更强。
工作方式 ：蓝牙5版本与Wifi传输类似，在2.4 GHz频段工作，使用FHSS（跳频扩频）方法进行数据调制，每秒在79个频率之间进行1600次跳变（重新调谐），这种调制方法增加了连接对同频干扰的抵抗力。定义了几个功率级别（1、10和100 mW），在自由空间中通信距离可达数百米，但如果通信设备之间有障碍物（如墙壁、人体），传输范围会迅速减小。通常不会突然失去连接，但错误传输数据包的数量会逐渐增加。传输速度约为720 kbit/s（90 kB/s），可创建对称或非对称数据链路，接收（下行链路）时的传输速度高于发送（上行链路）时的速度。
设备识别与通信 ：单个设备使用其BD_ADDR（蓝牙设备地址）进行识别，类似于以太网MAC地址。蓝牙连接支持两点和多点通信。如果多个站连接在所谓的微微网中，一个无线电台作为主站，可同时服务多达七个从属设备（从站）。微微网中的所有设备根据控制站的时钟进行同步，频率有离散变化。规范允许在直径为10米的区域内同时使用多达10个微微网，并将这些微微网进一步分组为散射网络（scatternets）。
系统参数 ：
| 版本 | 功率 | 范围 | 传输速度 | 最大吞吐量 |
| — | — | — | — | — |
| 1.2 | 100 mW | 100 m | 1 Mbit/s | 0.7 Mbit/s |
| 2.0 + EDR | 2.5 mW | 10 m | 2.1 Mbit/s | 1.4 Mbit/s |
| 3.0 + HS | 1 mW | 1 m | 24 Mbit/s | 16 Mb/s |
数据传输格式 ：在蓝牙接口系统中，数据以数据包形式传输，由三部分组成，即访问码、数据包首部和自身数据。访问码由四个起始位、64位同步字和四个结束位组成，同步字包含传输通道中信号频率伪随机序列的信息，该信息被编码成一个新的64位字。54位首部包含微微网活跃成员的三位地址（AMA）、4位数据包类型规范、一位流位、一位ARQ（自动重传请求）位和首部错误检查（HEC）。标准情况下，最多可传输2745位。

4. Wifi连接

系统概述 ：高频接口Wifi（无线保真）或WLAN（无线局域网）由IEEE 802.11标准标准化，主要用于连接基础设施无线计算机网络，无需网络基站或网络中心。该系统至少需要一个可连接到有线LAN或GSM无线网络的接入端口。
频段与编码 ：Wifi网络信号传输保留了2.45和5.4 GHz频段。无线电传输中使用两种载波信号编码方式：
- DSSS（直接序列扩频）：载波信号频率有阶跃变化。
- RSSS（随机序列扩频）：载波信号频率有伪随机变化。
访问控制 ：无论传输通道的物理介质如何，计算机接口的访问由分布式基础无线介质访问控制（DFWMAC）协议控制，该协议专为局域网设计，是IEEE 802.11标准的一部分。
版本特性 ：IEEE 802.11b版本提供最高11.5 Mb/s的传输速率。该接口的硬件包括传输调节系统，可根据干扰水平调整传输速度。当干扰水平高时，传输速度会减慢，系统从1 - 11.5 Mb/s的范围内选择最大数据传输速率。
HIPERLAN 2 ：更现代的Wifi接口HIPERLAN 2（高性能无线电局域网2）旨在为局域网（LAN）提供无线连接，其使用范围可达150米，可在一个或多个建筑物内工作。根据预期传输速率，HIPERLAN 2接口使用不同的调制方案，主要有二进制相移键控（BPSK），传输速度最高可达9 Mb/s；正交相移键控（QPSK），传输速度最高可达18 Mb/s；正交八通道相移键控（8 - QAM），传输速度在27 - 54 Mb/s范围内。

5. ZigBee连接

标准与特性 ：ZigBee无线通信概念于1998年创建，2004年由IEEE 802.15.4标准标准化。其无线电接口工作在免许可证的868 MHz、902 - 928 MHz和2.4 GHz频段，可在几十米的距离内实现20、40和250 kb/s的数据传输速率。
功耗与内存 ：该接口的传输功率约为1 mW，还可以进入睡眠模式，使用电池供电时可实现长达两年的运行。对于不太苛刻的应用，使用容量为8 kb的内部RAM数据存储器；对于更苛刻的应用，保留容量高达32 kb的存储器。
网络结构 ：ZigBee接口可以创建复杂的星型网络，能够根据连接的最短时间和最低能耗优化数据路径。网络的各个部分由端点标识，并通过所谓的集群进行识别。该接口常用于住宅建筑中水电热气消耗表的无线数据收集。

6. LoRaWAN连接

工作频段 ：LoRaWAN（长距离广域网）无线电通信协议在欧洲的868 MHz频段和美国的915 MHz频段工作。
调制方式 ：使用基于调制信号频率连续变化的扩频频率调制（CSSM，线性调频扩频调制）进行数据传输。与ZigBee连接类似，该接口强调最低能耗。
传输速度调整 ：传输协议允许根据传输数据量和传输过程中的错误频率自适应改变连接的传输速度。如果在同一通道上同时传输频率差小于6 dB的两个不同文件（即比例为1:2），可能会导致传输错误率不成比例增加，此时系统会选择较低的传输速度以提高传输信号的信噪比。因此，在125 - 500 kHz范围内区分了八个调制信号频率范围，其中500 kHz的带宽允许以高达22 kb/s的传输速率传输数据。
性能优势 ：与窄带二进制键控2 - FSK相位调制（传输速率为4.8 kb/s）相比，在传输频率为22 kb/s的八个频率范围内的顺序LoRa调制在大于500米的高度干扰城市环境中具有优势。由于采用异步数据传输方法，这种频率序列调制还能显著抑制干扰信号的影响，可通过使用的频率通道数量进行优化设置。与幅度或频率调制相比，顺序频率调制可使信噪比提高约50 dB，与2 - PSK调制相比提高约20 dB。
性能对比 ：
| 距离 | 2 - FSK (4.8 kb/s) | LoRa (22 kb/s) |
| — | — | — |
| 80 m | 97 dBm | 91 dBm |
| 150 m | 100 dBm | 102 dBm |
| 280 m | 112 dBm | 114 dBm |
| 330 m | 115 dBm | 124 dBm |
| 480 m | 118 dBm | 120 dBm |
| 560 m | - | 121 dBm |
| 1350 m | - | 126 dBm |
| 1750 m | - | 127 dBm |
| 2150 m | - | 129 dBm |

7. 常见短距离无线接口参数

接口类型	频段	传输速度	范围	覆盖角度	传输功率
IrDA	3.3 THz	16 Mb/s	1 m	30°	10 - 100 mW
Area InfraRed	3.3 THz	4 Mb/s	8 m	120°	80 mW
HomeRF	2.45 GHz	2 Mb/s	50 m	360°	75 mW
Bluetooth	2.45 GHz	≤54 Mb/s	150 m	360°	1 - 100 mW
Wifi	2.45 GHz	54 Mb/s	50 m	360°	10 - 50 mW
ZigBee	2.45 GHz	250 kb/s	300 m	360°	1 - 10 mW
LoRAN	868 MHz	≤kb/s	500 m	360°	1 - 500 mW

8. 无线连接特性比较

为了比较这些测量系统的特性，需要考虑其覆盖范围、最大数据传输速率、连接建立响应时间、数据安全级别、测量站数量、通信系统建设成本和预期运营成本。
- 覆盖范围 ：以太网和GSM连接在城市化地区的覆盖范围几乎为100%。此外，GSM网络在使用卫星通信时可实现全球几乎无限的连接范围。无线电调制解调器网络的范围受最大允许传输功率、天线高度和长度以及无线电波传播的地理和天气条件限制，常见无线电调制解调器系统的范围还受其站点数量的影响，站点间距离通常不超过几十公里。
- 传输速度 ：以太网网络使用金属线时传输速度可达Gb/s级别，使用光纤时可达10 Gb/s。GSM 3G网络传输速度可达2 Mb/s，5G网络可达20 Gb/s。无线电调制解调器传输系统的传输速率明显较低，范围在1.2 - 19.6 kb/s。
- 响应时间 ：以太网网络的反应响应时间从几十到几百毫秒不等。在无线电调制解调器数据传输中，从测量站到系统中心的数据传输以及从系统中心到测量站的命令传输都没有切换延迟，每个接收器始终可用。
- 数据安全 ：无线电信号的定向传输降低了信号被未经授权拦截的风险。与无线电传输的上述特性相反，GSM网络中传输的信号是公开可用的，使用的传输协议和信道频率是标准化且公开已知的。以太网系统中的数据传输安全性最高，尤其是在采取适当安全措施时。

短距离无线数据传输系统解析

9. 各连接方式的应用场景分析

10. 不同连接方式的选择建议

在选择短距离无线连接方式时，可以参考以下流程：

graph LR
    A[确定应用需求] --> B{传输距离要求}
    B -- 短距离（<1m） --> C{数据传输速率要求}
    C -- 低速率 --> D[选择IrDA连接]
    C -- 高速率 --> E{设备数量}
    E -- 2个设备 --> D
    E -- 多个设备 --> F[选择蓝牙连接]
    B -- 中距离（1 - 100m） --> G{数据传输速率要求}
    G -- 低速率 --> H[选择ZigBee连接]
    G -- 高速率 --> I[选择Wifi连接]
    B -- 长距离（>100m） --> J{数据传输速率要求}
    J -- 低速率 --> K[选择LoRaWAN连接]
    J -- 高速率 --> L[考虑其他解决方案]

11. 无线连接技术的发展趋势

随着科技的不断进步，短距离无线连接技术呈现出以下发展趋势：
- 更高的传输速度 ：为了满足日益增长的大数据传输需求，各连接方式都在不断提高传输速度。例如，蓝牙技术从最初的低速率发展到如今的高速版本，Wifi也在不断迭代以提供更快的网络速度。
- 更低的功耗 ：随着物联网设备的普及，对设备续航能力的要求越来越高。因此，降低无线连接的功耗成为重要的发展方向。如ZigBee和LoRaWAN连接都强调低能耗，以延长设备的使用时间。
- 更强的抗干扰能力 ：在复杂的电磁环境中，无线连接需要具备更强的抗干扰能力，以保证数据传输的稳定性和可靠性。例如，蓝牙的跳频扩频技术和LoRaWAN的线性调频扩频调制都有助于提高抗干扰能力。
- 更广泛的兼容性 ：为了实现不同设备之间的互联互通，无线连接技术需要具备更广泛的兼容性。未来，不同标准和协议之间的融合将更加深入，以促进设备的无缝连接。

12. 总结

短距离无线数据传输技术在现代社会中扮演着重要的角色，为各种设备之间的数据传输提供了便捷的解决方案。不同的连接方式，如IrDA、蓝牙、Wifi、ZigBee和LoRaWAN，各自具有独特的特点和优势，适用于不同的应用场景。在选择无线连接方式时，需要综合考虑传输距离、传输速度、功耗、抗干扰能力等因素，以满足具体的应用需求。随着技术的不断发展，无线连接技术将不断优化和创新，为我们的生活和工作带来更多的便利。

同时，我们也应该关注无线连接技术带来的安全问题，采取相应的安全措施，如加密传输、身份认证等，以保护数据的安全和隐私。在未来，随着物联网、人工智能等技术的发展，短距离无线数据传输技术将迎来更广阔的发展空间，我们期待它能为我们创造更加智能、便捷的生活环境。