🥇วิธีเลือกโมเด็มบรอดแบนด์สำหรับยานพาหนะทางอากาศไร้คนขับ (UAV) หรือหุ่นยนต์

ความท้าทายในการส่งข้อมูลจำนวนมากจากอากาศยานไร้คนขับ (UAV) หรือหุ่นยนต์ภาคพื้นดินไม่ใช่เรื่องแปลกในการใช้งานสมัยใหม่ บทความนี้กล่าวถึงเกณฑ์การเลือกสำหรับโมเด็มบรอดแบนด์และปัญหาที่เกี่ยวข้อง บทความนี้เขียนขึ้นสำหรับนักพัฒนา UAV และหุ่นยนต์

เกณฑ์การคัดเลือก

เกณฑ์หลักในการเลือกโมเด็มบรอดแบนด์สำหรับ UAV หรือหุ่นยนต์คือ:

ช่วงการสื่อสาร
อัตราการถ่ายโอนข้อมูลสูงสุด
ความล่าช้าในการส่งข้อมูล
พารามิเตอร์น้ำหนักและขนาด
อินเทอร์เฟซข้อมูลที่รองรับ
ความต้องการทางโภชนาการ
แยกช่องควบคุม/การวัดระยะไกล

ช่วงการสื่อสาร

ช่วงการสื่อสารไม่เพียงขึ้นอยู่กับโมเด็มเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับเสาอากาศ สายเสาอากาศ เงื่อนไขการแพร่กระจายคลื่นวิทยุ การรบกวนจากภายนอก และเหตุผลอื่น ๆ เพื่อแยกพารามิเตอร์ของโมเด็มออกจากพารามิเตอร์อื่นที่ส่งผลต่อช่วงการสื่อสาร ให้พิจารณาสมการช่วง [Kalinin A.I., Cherenkova E.L. การแพร่กระจายของคลื่นวิทยุและการทำงานของการเชื่อมโยงวิทยุ การเชื่อมต่อ. มอสโก พ.ศ. 1971]

$$display$$ R=frac{3 cdot 10^8}{4 pi F}10^{frac{P_{TXdBm}+G_{TXdB}+L_{TXdB}+G_{RXdB}+L_{RXdB}+ |V|_{dB}-P_{RXdBm}}{20}},$$จอแสดงผล$$

ที่ไหน
$inline$R$inline$ — ช่วงการสื่อสารที่ต้องการเป็นเมตร;
$inline$F$inline$ — ความถี่เป็น Hz;
$inline$P_{TXdBm}$inline$ — กำลังส่งของโมเด็มในหน่วย dBm;
$inline$G_{TXdB}$inline$ - อัตราขยายเสาอากาศของเครื่องส่งสัญญาณในหน่วย dB;
$inline$L_{TXdB}$inline$ — การสูญเสียสายเคเบิลจากโมเด็มไปยังเสาอากาศเครื่องส่งสัญญาณในหน่วย dB;
$inline$G_{RXdB}$inline$ — อัตราขยายของเสาอากาศรับสัญญาณเป็น dB;
$inline$L_{RXdB}$inline$ — ความสูญเสียในสายเคเบิลจากโมเด็มไปยังเสาอากาศรับสัญญาณในหน่วย dB;
$inline$P_{RXdBm}$inline$ — ความไวของตัวรับโมเด็มในหน่วย dBm;
$inline$|V|_{dB}$inline$ เป็นปัจจัยการลดทอนที่คำนึงถึงการสูญเสียเพิ่มเติมอันเนื่องมาจากอิทธิพลของพื้นผิวโลก พืชพรรณ บรรยากาศ และปัจจัยอื่นๆ ในหน่วย dB

จากสมการพิสัย เห็นได้ชัดว่าพิสัยขึ้นอยู่กับพารามิเตอร์สองตัวของโมเด็มเท่านั้น ได้แก่ กำลังเครื่องส่ง $inline$P_{TXdBm}$inline$ และความไวของตัวรับ $inline$P_{RXdBm}$inline$ หรือขึ้นอยู่กับความแตกต่าง - งบประมาณพลังงานของโมเด็ม

$$display$$B_m=P_{TXdBm}-P_{RXdBm}.$$display$$

พารามิเตอร์ที่เหลือในสมการช่วงจะอธิบายเงื่อนไขการแพร่กระจายของสัญญาณและพารามิเตอร์ของอุปกรณ์ตัวป้อนเสาอากาศ เช่น ไม่มีอะไรเกี่ยวข้องกับโมเด็ม
ดังนั้น ในการเพิ่มช่วงการสื่อสาร คุณต้องเลือกโมเด็มที่มีค่า $inline$B_m$inline$ มาก ในทางกลับกัน $inline$B_m$inline$ สามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการเพิ่ม $inline$P_{TXdBm}$inline$ หรือโดยการลด $inline$P_{RXdBm}$inline$ ในกรณีส่วนใหญ่ นักพัฒนา UAV กำลังมองหาโมเด็มที่มีกำลังส่งสูงและให้ความสนใจเพียงเล็กน้อยกับความไวของเครื่องรับ แม้ว่าพวกเขาจะต้องทำตรงกันข้ามก็ตาม เครื่องส่งสัญญาณโมเด็มบรอดแบนด์ออนบอร์ดอันทรงพลังมีปัญหาดังต่อไปนี้:

การใช้พลังงานสูง
ความจำเป็นในการระบายความร้อน
การเสื่อมสภาพของความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) กับอุปกรณ์ออนบอร์ดอื่น ๆ ของ UAV
ความลับด้านพลังงานต่ำ

ปัญหาสองประการแรกเกี่ยวข้องกับความจริงที่ว่าวิธีการสมัยใหม่ในการส่งข้อมูลจำนวนมากผ่านสถานีวิทยุเช่น OFDM จำเป็นต้องมี เชิงเส้น เครื่องส่ง ประสิทธิภาพของเครื่องส่งสัญญาณวิทยุเชิงเส้นสมัยใหม่ต่ำ: 10–30% ดังนั้น 70-90% ของพลังงานอันมีค่าของแหล่งจ่ายไฟ UAV จะถูกแปลงเป็นความร้อนซึ่งจะต้องถูกลบออกจากโมเด็มอย่างมีประสิทธิภาพ มิฉะนั้นจะล้มเหลวหรือกำลังขับจะลดลงเนื่องจากความร้อนสูงเกินไปในช่วงเวลาที่ไม่เหมาะสมที่สุด ตัวอย่างเช่น เครื่องส่งสัญญาณขนาด 2 วัตต์จะดึงพลังงานไฟฟ้า 6-20 วัตต์จากแหล่งจ่ายไฟ ซึ่ง 4-18 วัตต์จะถูกแปลงเป็นความร้อน

การลักลอบพลังงานของลิงก์วิทยุมีความสำคัญสำหรับการใช้งานพิเศษและการทหาร การลักลอบต่ำหมายความว่าสัญญาณโมเด็มถูกตรวจพบโดยเครื่องรับลาดตระเวนของสถานีติดขัดมีความเป็นไปได้ค่อนข้างสูง ดังนั้นความน่าจะเป็นที่จะระงับการเชื่อมต่อทางวิทยุที่มีการลักลอบพลังงานต่ำก็สูงเช่นกัน

ความไวของตัวรับสัญญาณโมเด็มแสดงถึงความสามารถในการดึงข้อมูลจากสัญญาณที่ได้รับด้วยคุณภาพในระดับที่กำหนด เกณฑ์คุณภาพอาจแตกต่างกันไป สำหรับระบบการสื่อสารแบบดิจิทัล ความน่าจะเป็นของข้อผิดพลาดบิต (อัตราข้อผิดพลาดบิต - BER) หรือความน่าจะเป็นของข้อผิดพลาดในแพ็กเก็ตข้อมูล (อัตราข้อผิดพลาดของเฟรม - FER) มักใช้บ่อยที่สุด ที่จริงแล้วความไวคือระดับของสัญญาณที่ต้องดึงข้อมูลออกมา ตัวอย่างเช่น ความไว −98 dBm โดยมี BER = 10−6 บ่งชี้ว่าข้อมูลที่มี BER ดังกล่าวสามารถดึงออกจากสัญญาณที่มีระดับ −98 dBm หรือสูงกว่าได้ แต่ข้อมูลที่มีระดับ −99 dBm สามารถทำได้ จะไม่ถูกแยกออกจากสัญญาณที่มีระดับ −1 dBm อีกต่อไป แน่นอนว่าคุณภาพที่ลดลงเมื่อระดับสัญญาณลดลงนั้นจะเกิดขึ้นทีละน้อย แต่ก็ควรจำไว้ว่าโมเด็มสมัยใหม่ส่วนใหญ่มีสิ่งที่เรียกว่า ผลกระทบเกณฑ์ซึ่งคุณภาพลดลงเมื่อระดับสัญญาณลดลงต่ำกว่าความไวเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ก็เพียงพอที่จะลดสัญญาณลง 2-10 dB ต่ำกว่าความไวของ BER เพื่อเพิ่มเป็น 1-XNUMX ซึ่งหมายความว่าคุณจะไม่เห็นวิดีโอจาก UAV อีกต่อไป เอฟเฟกต์ธรณีประตูเป็นผลโดยตรงจากทฤษฎีบทของแชนนอนสำหรับช่องสัญญาณรบกวน ซึ่งไม่สามารถกำจัดได้ การทำลายข้อมูลเมื่อระดับสัญญาณลดลงต่ำกว่าความไวเกิดขึ้นเนื่องจากอิทธิพลของสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นภายในเครื่องรับ เสียงภายในของเครื่องรับไม่สามารถกำจัดได้อย่างสมบูรณ์ แต่สามารถลดระดับหรือเรียนรู้ที่จะดึงข้อมูลจากสัญญาณรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ผู้ผลิตโมเด็มกำลังใช้ทั้งสองแนวทางนี้ โดยทำการปรับปรุงบล็อก RF ของเครื่องรับ และปรับปรุงอัลกอริธึมการประมวลผลสัญญาณดิจิทัล การปรับปรุงความไวของตัวรับสัญญาณโมเด็มไม่ได้ทำให้การใช้พลังงานและการกระจายความร้อนเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเพิ่มกำลังของเครื่องส่งสัญญาณ แน่นอนว่ามีการใช้พลังงานและการสร้างความร้อนเพิ่มขึ้น แต่ก็ค่อนข้างเรียบง่าย

แนะนำให้ใช้อัลกอริธึมการเลือกโมเด็มต่อไปนี้ในแง่ของการบรรลุช่วงการสื่อสารที่ต้องการ

ตัดสินใจเกี่ยวกับอัตราการถ่ายโอนข้อมูล
เลือกโมเด็มที่มีความไวดีที่สุดสำหรับความเร็วที่ต้องการ
กำหนดช่วงการสื่อสารโดยการคำนวณหรือการทดลอง
หากช่วงการสื่อสารน้อยกว่าที่จำเป็น ให้ลองใช้มาตรการต่อไปนี้ (จัดเรียงตามลำดับความสำคัญที่ลดลง):

ลดการสูญเสียในสายเสาอากาศ $inline$L_{TXdB}$inline$, $inline$L_{RXdB}$inline$ โดยใช้สายเคเบิลที่มีการลดทอนเชิงเส้นที่ต่ำกว่าที่ความถี่ในการทำงาน และ/หรือลดความยาวของสายเคเบิล
เพิ่มเสาอากาศรับ $inline$G_{TXdB}$inline$, $inline$G_{RXdB}$inline$;
เพิ่มกำลังเครื่องส่งโมเด็ม

ค่าความไวขึ้นอยู่กับอัตราการถ่ายโอนข้อมูลตามกฎ: ความเร็วที่สูงขึ้น - ความไวที่แย่ลง ตัวอย่างเช่น ความไว −98 dBm สำหรับ 8 Mbps ดีกว่าความไว −95 dBm สำหรับ 12 Mbps คุณสามารถเปรียบเทียบโมเด็มในแง่ของความไวสำหรับความเร็วในการถ่ายโอนข้อมูลเดียวกันเท่านั้น

ข้อมูลกำลังเครื่องส่งจะมีอยู่ในข้อมูลจำเพาะของโมเด็มเกือบตลอดเวลา แต่ข้อมูลเกี่ยวกับความไวของตัวรับอาจไม่พร้อมใช้งานเสมอไปหรือไม่เพียงพอ อย่างน้อยที่สุด นี่เป็นเหตุผลที่ต้องระวัง เนื่องจากตัวเลขที่สวยงามแทบจะไม่สมเหตุสมผลที่จะซ่อนไว้ นอกจากนี้ หากไม่เผยแพร่ข้อมูลความไว ผู้ผลิตจะกีดกันผู้บริโภคไม่ให้มีโอกาสประเมินช่วงการสื่อสารด้วยการคำนวณ ไปยัง การซื้อโมเด็ม

อัตราการถ่ายโอนข้อมูลสูงสุด

การเลือกโมเด็มตามพารามิเตอร์นี้ค่อนข้างง่ายหากมีการกำหนดข้อกำหนดความเร็วไว้อย่างชัดเจน แต่มีความแตกต่างบางอย่าง

หากปัญหาที่ต้องแก้ไขต้องมั่นใจช่วงการสื่อสารสูงสุดที่เป็นไปได้และในเวลาเดียวกันก็สามารถจัดสรรย่านความถี่กว้างเพียงพอสำหรับลิงก์วิทยุได้ จะเป็นการดีกว่าถ้าเลือกโมเด็มที่รองรับย่านความถี่กว้าง (แบนด์วิดท์) ความจริงก็คือความเร็วข้อมูลที่ต้องการสามารถทำได้ในย่านความถี่ที่ค่อนข้างแคบโดยใช้การมอดูเลตแบบหนาแน่น (16QAM, 64QAM, 256QAM เป็นต้น) หรือในย่านความถี่กว้างโดยใช้การมอดูเลตความหนาแน่นต่ำ (BPSK, QPSK ). การใช้การมอดูเลตความหนาแน่นต่ำสำหรับงานดังกล่าวจะดีกว่าเนื่องจากมีภูมิคุ้มกันทางเสียงที่สูงกว่า ดังนั้นความไวของเครื่องรับจึงดีกว่าดังนั้นงบประมาณพลังงานของโมเด็มจึงเพิ่มขึ้นและส่งผลให้ช่วงการสื่อสารเพิ่มขึ้น

บางครั้งผู้ผลิต UAV ตั้งค่าความเร็วข้อมูลของลิงก์วิทยุให้สูงกว่าความเร็วของแหล่งที่มาอย่างมาก อย่างแท้จริง 2 ครั้งขึ้นไป โดยอ้างว่าแหล่งที่มาเช่นตัวแปลงสัญญาณวิดีโอมีบิตเรตที่แปรผันและควรเลือกความเร็วของโมเด็มโดยคำนึงถึงค่าสูงสุด ของการปล่อยบิตเรต ในกรณีนี้ ช่วงการสื่อสารจะลดลงตามธรรมชาติ คุณไม่ควรใช้แนวทางนี้เว้นแต่จำเป็นจริงๆ โมเด็มสมัยใหม่ส่วนใหญ่มีบัฟเฟอร์ขนาดใหญ่ในตัวส่งสัญญาณที่สามารถปรับบิตเรตที่เพิ่มสูงขึ้นโดยไม่สูญเสียแพ็กเก็ต ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องสำรองความเร็วเกิน 25% หากมีเหตุผลที่เชื่อได้ว่าความจุบัฟเฟอร์ของโมเด็มที่ซื้อไม่เพียงพอและจำเป็นต้องเพิ่มความเร็วให้มากขึ้นจะเป็นการดีกว่าที่จะปฏิเสธที่จะซื้อโมเด็มดังกล่าว

ความล่าช้าในการถ่ายโอนข้อมูล

เมื่อประเมินพารามิเตอร์นี้ สิ่งสำคัญคือต้องแยกความล่าช้าที่เกี่ยวข้องกับการส่งข้อมูลผ่านลิงก์วิทยุ ออกจากความล่าช้าที่สร้างโดยอุปกรณ์เข้ารหัส/ถอดรหัสของแหล่งข้อมูล เช่น ตัวแปลงสัญญาณวิดีโอ การหน่วงเวลาในลิงค์วิทยุประกอบด้วย 3 ค่า

ความล่าช้าเนื่องจากการประมวลผลสัญญาณในตัวส่งและตัวรับ
ความล่าช้าเนื่องจากการแพร่กระจายสัญญาณจากเครื่องส่งไปยังเครื่องรับ
ความล่าช้าเนื่องจากการบัฟเฟอร์ข้อมูลในตัวส่งสัญญาณในโมเด็ม timedivision duplex (TDD)

ตามประสบการณ์ของผู้เขียน เวลาแฝงประเภท 1 มีตั้งแต่สิบไมโครวินาทีถึงหนึ่งมิลลิวินาที ความล่าช้าประเภท 2 ขึ้นอยู่กับระยะการสื่อสาร เช่น สำหรับลิงก์ 100 กม. จะเป็น 333 μs ความล่าช้าประเภท 3 ขึ้นอยู่กับความยาวของเฟรม TDD และอัตราส่วนของระยะเวลารอบการส่งข้อมูลต่อระยะเวลาเฟรมทั้งหมด และสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตั้งแต่ 0 ถึงระยะเวลาเฟรม กล่าวคือ มันเป็นตัวแปรสุ่ม หากแพ็กเก็ตข้อมูลที่ส่งอยู่ที่อินพุตของเครื่องส่งสัญญาณในขณะที่โมเด็มอยู่ในรอบการส่งสัญญาณ แพ็กเก็ตนั้นจะถูกส่งทางอากาศโดยมีความล่าช้าเป็นศูนย์ประเภท 3 หากแพ็กเก็ตล่าช้าเล็กน้อยและรอบการรับสัญญาณได้เริ่มขึ้นแล้ว มันจะล่าช้าในบัฟเฟอร์ของตัวส่งสัญญาณตลอดระยะเวลาของรอบการรับสัญญาณ ความยาวเฟรม TDD โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 2 ถึง 20 ms ดังนั้นความล่าช้าประเภท 3 กรณีที่เลวร้ายที่สุดจะไม่เกิน 20 ms ดังนั้นความล่าช้าทั้งหมดในลิงค์วิทยุจะอยู่ในช่วง 3−21 ms

วิธีที่ดีที่สุดในการค้นหาความล่าช้าในลิงก์วิทยุคือการทดลองเต็มรูปแบบโดยใช้ยูทิลิตี้เพื่อประเมินคุณลักษณะของเครือข่าย ไม่แนะนำให้วัดความล่าช้าโดยใช้วิธีการตอบกลับคำขอ เนื่องจากความล่าช้าในทิศทางไปข้างหน้าและย้อนกลับอาจไม่เหมือนกันสำหรับโมเด็ม TDD

พารามิเตอร์น้ำหนักและขนาด

การเลือกหน่วยโมเด็มออนบอร์ดตามเกณฑ์นี้ไม่จำเป็นต้องมีความคิดเห็นพิเศษ: ยิ่งเล็กและเบาก็ยิ่งดี อย่าลืมเกี่ยวกับความจำเป็นในการระบายความร้อนยูนิตออนบอร์ดด้วยอาจต้องใช้หม้อน้ำเพิ่มเติมดังนั้นน้ำหนักและขนาดอาจเพิ่มขึ้นด้วย ควรให้ความสำคัญกับหน่วยขนาดเล็กที่เบาและใช้พลังงานต่ำ

สำหรับหน่วยภาคพื้นดิน พารามิเตอร์มวล-มิติไม่สำคัญมากนัก ความง่ายในการใช้งานและการติดตั้งเป็นสิ่งสำคัญอันดับแรก หน่วยกราวด์ควรเป็นอุปกรณ์ป้องกันที่เชื่อถือได้จากอิทธิพลภายนอกพร้อมระบบติดตั้งที่สะดวกกับเสาหรือขาตั้ง ทางเลือกที่ดีคือเมื่อชุดกราวด์ถูกรวมไว้ในตัวเครื่องเดียวกันกับเสาอากาศ ตามหลักการแล้ว ควรเชื่อมต่อหน่วยกราวด์เข้ากับระบบควบคุมผ่านขั้วต่อที่สะดวกเพียงอันเดียว วิธีนี้จะช่วยป้องกันคุณจากคำพูดที่รุนแรงเมื่อคุณต้องดำเนินงานปรับใช้ที่อุณหภูมิ −20 องศา

ข้อกำหนดด้านอาหาร

ตามกฎแล้วยูนิตออนบอร์ดผลิตขึ้นโดยรองรับแรงดันไฟฟ้าที่หลากหลาย เช่น 7-30 V ซึ่งครอบคลุมตัวเลือกแรงดันไฟฟ้าส่วนใหญ่ในเครือข่ายพลังงาน UAV หากคุณมีโอกาสเลือกแรงดันไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไฟหลายแบบ ให้ตั้งค่าแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำที่สุด ตามกฎแล้วโมเด็มจะใช้พลังงานภายในจากแรงดันไฟฟ้า 3.3 และ 5.0 V ผ่านแหล่งจ่ายไฟสำรอง ประสิทธิภาพของแหล่งจ่ายไฟสำรองเหล่านี้จะสูงขึ้น ความแตกต่างระหว่างอินพุตและแรงดันไฟฟ้าภายในของโมเด็มก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นหมายถึงการลดการใช้พลังงานและการสร้างความร้อน

ในทางกลับกัน หน่วยกราวด์จะต้องรองรับพลังงานจากแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ค่อนข้างสูง ช่วยให้สามารถใช้สายไฟที่มีหน้าตัดขนาดเล็ก ซึ่งจะช่วยลดน้ำหนักและทำให้การติดตั้งง่ายขึ้น สิ่งอื่นๆ ที่เท่าเทียมกัน ให้เลือกใช้ยูนิตภาคพื้นดินที่รองรับ PoE (Power over Ethernet) ในกรณีนี้ ต้องใช้สายอีเทอร์เน็ตเพียงเส้นเดียวในการเชื่อมต่อยูนิตกราวด์กับสถานีควบคุม

แยกช่องควบคุม/การวัดระยะไกล

คุณสมบัติที่สำคัญในกรณีที่ไม่มีพื้นที่เหลือบน UAV เพื่อติดตั้งโมเด็ม command-telemetry แยกต่างหาก หากมีที่ว่าง ก็สามารถใช้ช่องควบคุม/การตรวจวัดระยะไกลของโมเด็มบรอดแบนด์แยกต่างหากเป็นช่องทางสำรองได้ เมื่อเลือกโมเด็มที่มีตัวเลือกนี้ ให้คำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่าโมเด็มรองรับโปรโตคอลที่ต้องการสำหรับการสื่อสารกับ UAV (MAVLink หรือกรรมสิทธิ์) และความสามารถในการควบคุมช่องสัญญาณ/ข้อมูลการส่งข้อมูลทางไกลแบบมัลติเพล็กซ์ในอินเทอร์เฟซที่สะดวกที่สถานีภาคพื้นดิน (GS ). ตัวอย่างเช่น หน่วยออนบอร์ดของโมเด็มบรอดแบนด์เชื่อมต่อกับระบบอัตโนมัติผ่านอินเทอร์เฟซ เช่น RS232, UART หรือ CAN และหน่วยกราวด์เชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์ควบคุมผ่านอินเทอร์เฟซอีเธอร์เน็ต ซึ่งจำเป็นต้องแลกเปลี่ยนคำสั่ง ข้อมูลการวัดและส่งข้อมูลทางไกลและวิดีโอ ในกรณีนี้ โมเด็มจะต้องสามารถมัลติเพล็กซ์คำสั่งและสตรีมการวัดและส่งข้อมูลทางไกลระหว่างอินเทอร์เฟซ RS232, UART หรือ CAN ของยูนิตออนบอร์ดและอินเทอร์เฟซอีเทอร์เน็ตของยูนิตกราวด์

พารามิเตอร์อื่น ๆ ที่ต้องใส่ใจ

ความพร้อมใช้งานของโหมดดูเพล็กซ์ โมเด็มบรอดแบนด์สำหรับ UAV รองรับโหมดการทำงานแบบซิมเพล็กซ์หรือดูเพล็กซ์ ในโหมด Simplex การส่งข้อมูลทำได้เฉพาะในทิศทางจาก UAV ไปยัง NS และในโหมดดูเพล็กซ์ - ในทั้งสองทิศทาง ตามกฎแล้ว โมเด็ม Simplex จะมีตัวแปลงสัญญาณวิดีโอในตัว และได้รับการออกแบบให้ทำงานกับกล้องวิดีโอที่ไม่มีตัวแปลงสัญญาณวิดีโอ โมเด็ม Simplex ไม่เหมาะสำหรับการเชื่อมต่อกับกล้อง IP หรืออุปกรณ์อื่นใดที่ต้องมีการเชื่อมต่อ IP ในทางตรงกันข้ามโมเด็มดูเพล็กซ์ได้รับการออกแบบมาเพื่อเชื่อมต่อเครือข่าย IP ออนบอร์ดของ UAV กับเครือข่าย IP ของ NS เช่น รองรับกล้อง IP และอุปกรณ์ IP อื่น ๆ แต่อาจไม่มีในตัว ในตัวแปลงสัญญาณวิดีโอ เนื่องจากกล้องวิดีโอ IP มักจะมีตัวแปลงสัญญาณวิดีโอของคุณ การรองรับอินเทอร์เฟซอีเทอร์เน็ตสามารถทำได้ในโมเด็มฟูลดูเพล็กซ์เท่านั้น

การรับความหลากหลาย (ความหลากหลาย RX) การมีความสามารถนี้เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสื่อสารอย่างต่อเนื่องตลอดระยะทางการบินทั้งหมด เมื่อแพร่กระจายไปทั่วพื้นผิวโลก คลื่นวิทยุจะมาถึงจุดรับด้วยลำแสงสองลำ: ตามเส้นทางตรงและด้วยการสะท้อนจากพื้นผิว หากการเพิ่มคลื่นของลำแสงทั้งสองเกิดขึ้นในเฟส สนามที่จุดรับจะมีความเข้มแข็งขึ้น และหากอยู่ในแอนติเฟส สนามก็จะอ่อนลง การอ่อนตัวลงอาจมีนัยสำคัญมาก - ขึ้นอยู่กับการสูญเสียการสื่อสารโดยสิ้นเชิง การมีอยู่ของเสาอากาศสองตัวบน NS ซึ่งอยู่ที่ความสูงต่างกันจะช่วยแก้ปัญหานี้ได้เพราะถ้าที่ตำแหน่งของเสาอากาศหนึ่งคานจะถูกเพิ่มในแอนติเฟสจากนั้นที่ตำแหน่งของอีกอันหนึ่งพวกมันจะไม่ทำ เป็นผลให้คุณสามารถบรรลุการเชื่อมต่อที่เสถียรตลอดระยะทางทั้งหมด
โทโพโลยีเครือข่ายที่รองรับ ขอแนะนำให้เลือกโมเด็มที่ให้การสนับสนุนไม่เพียงแต่สำหรับโทโพโลยีแบบจุดต่อจุด (PTP) เท่านั้น แต่ยังสำหรับโทโพโลยีแบบจุดต่อหลายจุด (PMP) และรีเลย์ (ตัวทำซ้ำ) ด้วย การใช้รีเลย์ผ่าน UAV เพิ่มเติมช่วยให้คุณสามารถขยายพื้นที่ครอบคลุมของ UAV หลักได้อย่างมาก การสนับสนุน PMP จะช่วยให้คุณรับข้อมูลพร้อมกันจาก UAV หลายตัวบน NS เดียว โปรดทราบว่าการรองรับ PMP และรีเลย์จะต้องมีแบนด์วิธของโมเด็มเพิ่มขึ้น เมื่อเทียบกับกรณีการสื่อสารด้วย UAV เดียว ดังนั้นสำหรับโหมดเหล่านี้ขอแนะนำให้เลือกโมเด็มที่รองรับย่านความถี่กว้าง (อย่างน้อย 15-20 MHz)

ความพร้อมของวิธีการเพิ่มภูมิคุ้มกันทางเสียง ตัวเลือกที่มีประโยชน์ เนื่องจากสภาพแวดล้อมที่มีการรบกวนอย่างรุนแรงในพื้นที่ที่ใช้ UAV ภูมิคุ้มกันทางเสียงเป็นที่เข้าใจกันว่าเป็นความสามารถของระบบสื่อสารในการทำหน้าที่ของมันเมื่อมีการรบกวนจากแหล่งกำเนิดเทียมหรือจากธรรมชาติในช่องทางการสื่อสาร มีสองวิธีในการต่อสู้กับการแทรกแซง แนวทางที่ 1: ออกแบบเครื่องรับโมเด็มเพื่อให้สามารถรับข้อมูลได้อย่างน่าเชื่อถือ แม้ว่าจะมีสัญญาณรบกวนในย่านความถี่ของช่องสัญญาณสื่อสาร โดยต้องเสียค่าใช้จ่ายในการลดความเร็วในการส่งข้อมูลลงบ้าง วิธีที่ 2: ลดหรือลดสัญญาณรบกวนที่อินพุตเครื่องรับ ตัวอย่างของการดำเนินการตามแนวทางแรกคือระบบการแพร่กระจายคลื่นความถี่ กล่าวคือ: การกระโดดความถี่ (FH), คลื่นความถี่การแพร่กระจายลำดับสุ่มหลอก (DSSS) หรือแบบผสมของทั้งสองอย่าง เทคโนโลยี FH แพร่หลายในช่องควบคุม UAV เนื่องจากมีอัตราการถ่ายโอนข้อมูลที่ต้องการต่ำในช่องทางการสื่อสารดังกล่าว ตัวอย่างเช่น สำหรับความเร็ว 16 กิโลบิต/วินาทีในย่านความถี่ 20 MHz สามารถจัดตำแหน่งความถี่ได้ประมาณ 500 ตำแหน่ง ซึ่งช่วยให้การป้องกันที่เชื่อถือได้จากการรบกวนในย่านความถี่แคบ การใช้ FH สำหรับช่องทางการสื่อสารแบบบรอดแบนด์เป็นปัญหาเนื่องจากคลื่นความถี่ที่ได้มีขนาดใหญ่เกินไป ตัวอย่างเช่นหากต้องการรับตำแหน่งความถี่ 500 ตำแหน่งเมื่อทำงานกับสัญญาณที่มีแบนด์วิดท์ 4 MHz คุณจะต้องมีแบนด์วิดท์ฟรี 2 GHz! เกินกว่าจะเป็นจริงได้ การใช้ DSSS สำหรับช่องทางการสื่อสารบรอดแบนด์กับ UAV มีความเกี่ยวข้องมากกว่า ในเทคโนโลยีนี้ บิตข้อมูลแต่ละบิตจะถูกทำซ้ำพร้อมกันที่ความถี่ต่างๆ (หรือทั้งหมด) ในย่านความถี่สัญญาณ และเมื่อมีสัญญาณรบกวนในย่านความถี่แคบ ก็สามารถแยกออกจากส่วนของสเปกตรัมที่ไม่ได้รับผลกระทบจากสัญญาณรบกวนได้ การใช้ DSSS และ FH หมายความว่าเมื่อมีการรบกวนในช่องสัญญาณ จะต้องลดอัตราการส่งข้อมูลลง อย่างไรก็ตาม เห็นได้ชัดว่าการรับวิดีโอจาก UAV ด้วยความละเอียดต่ำกว่าจะดีกว่าไม่มีอะไรเลย แนวทางที่ 2 ใช้ข้อเท็จจริงที่ว่าการรบกวน ต่างจากสัญญาณรบกวนภายในของเครื่องรับ ที่เข้าสู่ลิงก์วิทยุจากภายนอก และหากมีปัจจัยบางอย่างอยู่ในโมเด็ม ก็สามารถระงับได้ การปราบปรามการรบกวนเกิดขึ้นได้หากมีการแปลเป็นภาษาท้องถิ่นในโดเมนสเปกตรัม ชั่วคราว หรือเชิงพื้นที่ ตัวอย่างเช่น การรบกวนในแถบแคบจะมีการแปลในพื้นที่สเปกตรัมและสามารถ "ตัด" ออกจากสเปกตรัมได้โดยใช้ตัวกรองพิเศษ ในทำนองเดียวกัน สัญญาณรบกวนแบบพัลซ์จะถูกแปลเป็นภาษาท้องถิ่นในโดเมนเวลา เพื่อระงับ สัญญาณรบกวนดังกล่าว พื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจะถูกลบออกจากสัญญาณอินพุตของเครื่องรับ หากการรบกวนไม่ใช่ย่านความถี่แคบหรือเป็นพัลส์ ก็สามารถใช้ตัวระงับเชิงพื้นที่เพื่อปราบปรามได้ สัญญาณรบกวนเข้าสู่เสาอากาศรับสัญญาณจากแหล่งกำเนิดจากทิศทางที่แน่นอน หากตำแหน่งศูนย์ของรูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศรับสัญญาณอยู่ในทิศทางของแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน การรบกวนจะถูกระงับ ระบบดังกล่าวเรียกว่าระบบบีมฟอร์มมิ่งแบบปรับตัวและระบบโมฆะลำแสง

โปรโตคอลวิทยุที่ใช้ ผู้ผลิตโมเด็มสามารถใช้โปรโตคอลวิทยุมาตรฐาน (WiFi, DVB-T) หรือที่เป็นกรรมสิทธิ์ได้ พารามิเตอร์นี้ไม่ค่อยได้ระบุไว้ในข้อกำหนด การใช้ DVB-T ถูกระบุโดยอ้อมด้วยคลื่นความถี่ที่รองรับ 2/4/6/7/8 บางครั้ง 10 MHz และการกล่าวถึงในข้อความข้อกำหนดเฉพาะของเทคโนโลยี COFDM (รหัส OFDM) ซึ่ง OFDM ถูกนำมาใช้ร่วมกัน พร้อมการเข้ารหัสป้องกันเสียงรบกวน ที่ผ่านมา เราสังเกตว่า COFDM เป็นเพียงสโลแกนโฆษณาเท่านั้น และไม่มีข้อได้เปรียบใดๆ เหนือ OFDM เนื่องจาก OFDM ที่ไม่มีการเข้ารหัสป้องกันเสียงรบกวนไม่เคยถูกนำมาใช้ในทางปฏิบัติ ปรับ COFDM และ OFDM ให้เท่ากันเมื่อคุณเห็นตัวย่อเหล่านี้ในข้อมูลจำเพาะของโมเด็มวิทยุ

โมเด็มที่ใช้โปรโตคอลมาตรฐานมักจะสร้างขึ้นบนพื้นฐานของชิปพิเศษ (WiFi, DVB-T) ที่ทำงานร่วมกับไมโครโปรเซสเซอร์ การใช้ชิปแบบกำหนดเองช่วยให้ผู้ผลิตโมเด็มไม่ต้องปวดหัวกับการออกแบบ การสร้างโมเดล การใช้งาน และการทดสอบโปรโตคอลวิทยุของตนเอง ไมโครโปรเซสเซอร์ถูกใช้เพื่อให้โมเด็มมีฟังก์ชันการทำงานที่จำเป็น โมเด็มดังกล่าวมีข้อดีดังต่อไปนี้

ราคาถูก.
พารามิเตอร์น้ำหนักและขนาดที่ดี
การใช้พลังงานต่ำ.

นอกจากนี้ยังมีข้อเสีย

ไม่สามารถเปลี่ยนคุณสมบัติของอินเทอร์เฟซวิทยุโดยการเปลี่ยนเฟิร์มแวร์
เสถียรภาพของอุปทานต่ำในระยะยาว
ความสามารถที่จำกัดในการให้การสนับสนุนด้านเทคนิคที่มีคุณสมบัติเหมาะสมเมื่อแก้ไขปัญหาที่ไม่ได้มาตรฐาน

อุปทานที่มีความเสถียรต่ำนั้นเกิดจากการที่ผู้ผลิตชิปมุ่งเน้นไปที่ตลาดมวลชนเป็นหลัก (ทีวี คอมพิวเตอร์ ฯลฯ) ผู้ผลิตโมเด็มสำหรับ UAV ไม่ได้มีความสำคัญสำหรับพวกเขา และพวกเขาไม่สามารถมีอิทธิพลต่อการตัดสินใจของผู้ผลิตชิปที่จะหยุดการผลิตโดยไม่มีการเปลี่ยนผลิตภัณฑ์อื่นอย่างเพียงพอ คุณลักษณะนี้ได้รับการเสริมด้วยแนวโน้มของการบรรจุอินเทอร์เฟซวิทยุลงในวงจรไมโครเฉพาะ เช่น "ระบบบนชิป" (ระบบบนชิป - SoC) ดังนั้นชิปอินเทอร์เฟซวิทยุแต่ละตัวจึงค่อยๆ ถูกชะล้างออกจากตลาดเซมิคอนดักเตอร์

ความสามารถที่จำกัดในการให้การสนับสนุนทางเทคนิคนั้นเกิดจากการที่ทีมพัฒนาโมเด็มที่ใช้โปรโตคอลวิทยุมาตรฐานนั้นมีบุคลากรที่เชี่ยวชาญโดยเฉพาะในด้านอิเล็กทรอนิกส์และเทคโนโลยีไมโครเวฟเป็นหลัก อาจไม่มีผู้เชี่ยวชาญด้านการสื่อสารทางวิทยุเลยเนื่องจากไม่มีปัญหาให้แก้ไข ดังนั้นผู้ผลิต UAV ที่กำลังมองหาวิธีแก้ไขปัญหาการสื่อสารทางวิทยุที่ไม่สำคัญอาจพบว่าตนเองผิดหวังในแง่ของการให้คำปรึกษาและความช่วยเหลือด้านเทคนิค

โมเด็มที่ใช้โปรโตคอลวิทยุที่เป็นกรรมสิทธิ์นั้นสร้างขึ้นบนพื้นฐานของชิปประมวลผลสัญญาณอะนาล็อกและดิจิตอลสากล ความเสถียรในการจัดหาชิปดังกล่าวนั้นสูงมาก จริงอยู่ราคาก็สูงเช่นกัน โมเด็มดังกล่าวมีข้อดีดังต่อไปนี้

ความเป็นไปได้มากมายในการปรับโมเด็มให้ตรงกับความต้องการของลูกค้า รวมถึงการปรับอินเทอร์เฟซวิทยุด้วยการเปลี่ยนเฟิร์มแวร์
ความสามารถเพิ่มเติมของอินเทอร์เฟซวิทยุที่น่าสนใจสำหรับใช้ใน UAV และไม่มีอยู่ในโมเด็มที่สร้างขึ้นบนพื้นฐานของโปรโตคอลวิทยุมาตรฐาน
ความมั่นคงสูงของวัสดุสิ้นเปลืองรวมถึง ในระยะยาว.
การสนับสนุนทางเทคนิคระดับสูง รวมถึงการแก้ไขปัญหาที่ไม่ได้มาตรฐาน

ข้อเสีย

ราคาสูง
พารามิเตอร์น้ำหนักและขนาดอาจแย่กว่าพารามิเตอร์ของโมเด็มที่ใช้โปรโตคอลวิทยุมาตรฐาน
เพิ่มการใช้พลังงานของหน่วยประมวลผลสัญญาณดิจิทัล

ข้อมูลทางเทคนิคของโมเด็มบางตัวสำหรับ UAV

ตารางแสดงพารามิเตอร์ทางเทคนิคของโมเด็มบางตัวสำหรับ UAV ที่มีจำหน่ายในท้องตลาด

โปรดทราบว่าแม้ว่าโมเด็ม 3D Link จะมีกำลังส่งต่ำที่สุดเมื่อเทียบกับโมเด็ม Picoradio OEM และ J11 (25 dBm เทียบกับ 27−30 dBm) แต่งบประมาณพลังงานของ 3D Link จะสูงกว่าโมเด็มเหล่านั้นเนื่องจากความไวของตัวรับสัญญาณสูง (ด้วย ความเร็วการถ่ายโอนข้อมูลเดียวกันสำหรับโมเด็มที่กำลังเปรียบเทียบ) ดังนั้นระยะการสื่อสารเมื่อใช้ 3D Link จะมากขึ้นพร้อมการลักลอบพลังงานที่ดีขึ้น

โต๊ะ. ข้อมูลทางเทคนิคของโมเด็มบรอดแบนด์บางรุ่นสำหรับ UAV และหุ่นยนต์

พารามิเตอร์
ลิงค์ 3D
สกายฮอปเปอร์ โปร
พิโคเรดิโอ OEM (ดำเนินการบนโมดูล pDDL2450 จากไมโครฮาร์ด)
SOLO7
(ดูสิ่งนี้ด้วย เครื่องรับ SOLO7)
J11

ผู้ผลิต ประเทศ
จีโอสแกน, รฟ
โมบิลิคอม, อิสราเอล
นวัตกรรมทางอากาศ, แคนาดา
ดีทีซี, สหราชอาณาจักร
รีเดส, จีน

ระยะการสื่อสาร [กม.] 20−60
5
ไม่ระบุ*
ไม่ระบุ*
10 20-

ความเร็ว [เมกะบิต/วินาที] 0.023−64.9
1.6 6-
0.78 28-
0.144 31.668-
1.5 6-

ความล่าช้าในการส่งข้อมูล [ms] 1−20
25
ไม่ระบุ*
15 100-
15 30-

ขนาดออนบอร์ดยูนิต ยาวxกว้างxสูง [มม.] 77x45x25
74h54h26
40x40x10 (ไม่รวมที่อยู่อาศัย)
67h68h22
76h48h20

น้ำหนักหน่วยออนบอร์ด [กรัม] 89
105
17.6 (ไม่มีตัวเครื่อง)
135
88

อินเทอร์เฟซข้อมูล
อีเธอร์เน็ต, RS232, CAN, USB
อีเธอร์เน็ต, RS232, USB (อุปกรณ์เสริม)
อีเธอร์เน็ต, RS232/UART
HDMI, AV, RS232, ยูเอสบี
HDMI, อีเธอร์เน็ต, UART

แหล่งจ่ายไฟยูนิตออนบอร์ด [โวลต์/วัตต์] 7−30/6.7
7−26/ไม่มี/ก*
5−58/4.8
5.9−17.8/4.5−7
7−18/8

แหล่งจ่ายไฟของหน่วยกราวด์ [โวลต์/วัตต์] 18−75 หรือ PoE/7
7−26/ไม่มี/ก*
5−58/4.8
6−16/8
7−18/5

กำลังส่ง [dBm] 25
ไม่ระบุ*
27 30-
20
30

ความไวของตัวรับ [dBm] (สำหรับความเร็ว [Mbit/s])
−122(0.023) −101(4.06) −95.1(12.18) −78.6(64.96)
−101(ไม่มี*)
−101(0.78) −96(3.00) −76(28.0)
−95(ไม่มี*) −104(n/a*)
−97(1.5) −94(3.0) −90(6.0)

งบประมาณพลังงานของโมเด็ม [dB] (สำหรับความเร็ว [Mbit/วินาที])
147(0.023) 126(4.06) 120.1(12.18) 103.6(64.96)
ไม่ระบุ*
131(0.78) 126(3.00) 103(28.0)
ไม่ระบุ*
127 (1.5) 124 (3.0) 120 (6.0)

ย่านความถี่ที่รองรับ [MHz] 4−20
4.5; 8.5
2; 4; 8
0.625; 1.25; 2.5; 6; 7; 8
2; 4; 8

เริม/ดูเพล็กซ์
คู่
คู่
คู่
เริม
คู่

การสนับสนุนความหลากหลาย
ใช่
ใช่
ใช่
ใช่
ใช่

แยกช่องทางสำหรับการควบคุม/การตรวจวัดทางไกล
ใช่
ใช่
ใช่
ไม่
ใช่

รองรับโปรโตคอลควบคุม UAV ในช่องควบคุม/การวัดระยะไกล
MAVLink ที่เป็นกรรมสิทธิ์
MAVLink ที่เป็นกรรมสิทธิ์
ไม่
ไม่
MAV ลิงค์

รองรับมัลติเพล็กซ์ในช่องควบคุม/การวัดทางไกล
ใช่
ใช่
ไม่
ไม่
ไม่ระบุ*

โทโพโลยีเครือข่าย
PTP, PMP, รีเลย์
PTP, PMP, รีเลย์
PTP, PMP, รีเลย์
PTP
PTP, PMP, รีเลย์

หมายถึงการเพิ่มภูมิคุ้มกันทางเสียง
DSSS, เครื่องป้องกันคลื่นความถี่แคบและพัลส์
ไม่ระบุ*
ไม่ระบุ*
ไม่ระบุ*
ไม่ระบุ*

โปรโตคอลวิทยุ
กรรมสิทธิ์
ไม่ระบุ*
ไม่ระบุ*
DVB-T
ไม่ระบุ*

* ไม่มี - ไม่มีข้อมูล

เกี่ยวกับผู้แต่ง

อเล็กซานเดอร์ สโมโรดินอฟ [[ป้องกันอีเมล]] เป็นผู้เชี่ยวชาญชั้นนำของ Geoscan LLC ในด้านการสื่อสารไร้สาย ตั้งแต่ปี 2011 จนถึงปัจจุบัน เขาได้พัฒนาโปรโตคอลวิทยุและอัลกอริธึมการประมวลผลสัญญาณสำหรับโมเด็มวิทยุบรอดแบนด์เพื่อวัตถุประสงค์ต่างๆ ตลอดจนนำอัลกอริธึมที่พัฒนาขึ้นมาโดยใช้ชิปตรรกะที่ตั้งโปรแกรมได้ หัวข้อที่สนใจของผู้เขียน ได้แก่ การพัฒนาอัลกอริธึมการซิงโครไนซ์ การประมาณค่าคุณสมบัติของช่องสัญญาณ การมอดูเลต/ดีโมดูเลชั่น การเข้ารหัสแบบป้องกันเสียงรบกวน รวมถึงอัลกอริธึม Media Access Layer (MAC) บางตัว ก่อนที่จะมาร่วมงานกับ Geoscan ผู้เขียนเคยทำงานในองค์กรต่างๆ โดยพัฒนาอุปกรณ์สื่อสารไร้สายแบบกำหนดเอง ตั้งแต่ปี 2002 ถึง 2007 เขาทำงานที่ Proteus LLC ในตำแหน่งผู้เชี่ยวชาญชั้นนำในการพัฒนาระบบการสื่อสารตามมาตรฐาน IEEE802.16 (WiMAX) ตั้งแต่ปี 1999 ถึง 2002 ผู้เขียนมีส่วนร่วมในการพัฒนาอัลกอริธึมการเข้ารหัสที่ทนต่อเสียงรบกวนและการสร้างแบบจำลองเส้นทางลิงก์วิทยุที่สถาบันวิจัยกลางหน่วยรวมรัฐของรัฐบาลกลาง "Granit" ผู้เขียนได้รับปริญญาผู้สมัครสาขาวิทยาศาสตร์เทคนิคจากมหาวิทยาลัยเครื่องมือการบินและอวกาศเซนต์ปีเตอร์สเบิร์กในปี 1998 และปริญญาวิศวกรรมวิทยุจากมหาวิทยาลัยเดียวกันในปี 1995 อเล็กซานเดอร์เป็นสมาชิกปัจจุบันของ IEEE และ IEEE Communications Society

ที่มา: will.com

วิธีเลือกโมเด็มบรอดแบนด์สำหรับอากาศยานไร้คนขับ (UAV) หรือหุ่นยนต์