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如何为无人机 (UAV) 或机器人选择宽带调制解调器

从无人机 (UAV) 或地面机器人传输大量数据的挑战在现代应用中并不罕见。 本文讨论宽带调制解调器的选择标准和相关问题。 本文是为无人机和机器人开发人员撰写的。

选择标准

为无人机或机器人选择宽带调制解调器的主要标准是：

  1. 通讯范围。
  2. 最大数据传输率。
  3. 数据传输延迟。
  4. 重量和尺寸参数。
  5. 支持的信息接口。
  6. 营养需求。
  7. 独立的控制/遥测通道。

通讯范围

通信范围不仅取决于调制解调器，还取决于天线、天线电缆、无线电波传播条件、外部干扰等原因。 为了将调制解调器本身的参数与影响通信范围的其他参数分开，请考虑范围方程 [Kalinin A.I., Cherenkova E.L. 无线电波的传播和无线电链路的操作。 联系。 莫斯科。 1971]

$$显示$$ 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}},$$显示$$

哪里
$inline$R$inline$ — 所需的通信范围（以米为单位）；
$inline$F$inline$ — 频率（以 Hz 为单位）；
$inline$P_{TXdBm}$inline$ — 调制解调器发射器功率（dBm）；
$inline$G_{TXdB}$inline$ — 发射机天线增益（dB）；
$inline$L_{TXdB}$inline$ — 从调制解调器到发射器天线的电缆损耗，以 dB 为单位；
$inline$G_{RXdB}$inline$ — 接收器天线增益，单位为 dB；
$inline$L_{RXdB}$inline$ — 从调制解调器到接收器天线的电缆损耗，以 dB 为单位；
$inline$P_{RXdBm}$inline$ — 调制解调器接收器的灵敏度，以 dBm 为单位；
$inline$|V|_{dB}$inline$是一个衰减因子，考虑了由于地球表面、植被、大气等因素影响而产生的额外损耗，单位为dB。

从范围方程可以清楚地看出，范围仅取决于调制解调器的两个参数：发射器功率 $inline$P_{TXdBm}$inline$ 和接收器灵敏度 $inline$P_{RXdBm}$inline$，或者更确切地说取决于它们的差异- 调制解调器的能量预算

$$显示$$B_m=P_{TXdBm}-P_{RXdBm}.$$显示$$

范围方程中的其余参数描述了信号传播条件和天馈设备的参数，即与调制解调器无关。
因此，为了增加通信范围，您需要选择$inline$B_m$inline$值较大的调制解调器。 反过来，$inline$B_m$inline$ 可以通过增加 $inline$P_{TXdBm}$inline$ 或减少 $inline$P_{RXdBm}$inline$ 来增加。 在大多数情况下，无人机开发人员正在寻找具有高发射器功率的调制解调器，而很少关注接收器的灵敏度，尽管他们需要做的恰恰相反。 宽带调制解调器的强大板载发射器会带来以下问题：

  • 能源消耗高；
  • 冷却的需要；
  • 与无人机其他机载设备的电磁兼容性（EMC）恶化；
  • 低能量保密性。

前两个问题与以下事实有关：通过无线电信道传输大量信息的现代方法（例如 OFDM）需要 线性 发射机。 现代线性无线电发射机的效率很低：10-30%。 因此，无人机电源70-90%的宝贵能量都转化为热量，必须有效地将热量从调制解调器中排出，否则调制解调器会在最不合时宜的时刻因过热而发生故障或输出功率下降。 例如，2 W 发射器将从电源消耗 6-20 W 功率，其中 4-18 W 将转化为热量。

无线电链路的能量保密对于特殊和军事应用非常重要。 低隐秘性意味着调制解调器信号被干扰站的侦察接收机以相对较高的概率检测到。 因此，抑制能量隐蔽性低的无线链路的概率也较高。

调制解调器接收器的灵敏度表征其从给定质量水平的接收信号中提取信息的能力。 质量标准可能有所不同。 对于数字通信系统，最常使用的是误码概率（误码率 - BER）或信息包中出现错误的概率（误帧率 - FER）。 实际上，灵敏度是必须从中提取信息的信号本身的水平。 例如，BER = 98−10 时灵敏度为−6 dBm 表示可以从−98 dBm 或更高级别的信号中提取具有这种 BER 的信息，但级别为 -99 dBm 的信息也可以提取。不再从电平为 -1 dBm 的信号中提取。 当然，随着信号电平的降低，质量会逐渐下降，但值得注意的是，大多数现代调制解调器都有所谓的“质量下降”。 阈值效应，当信号电平降低到灵敏度以下时，质量会很快下降。 将信号降低到灵敏度以下 2-10 dB 就足以使 BER 增加到 1-XNUMX，这意味着您将不再看到来自无人机的视频。 阈值效应是香农定理对噪声通道的直接推论；它无法消除。 当信号电平降低到灵敏度以下时，由于接收器本身内部形成的噪声的影响，会发生信息破坏。 接收器的内部噪声无法完全消除，但可以降低其水平或学会从噪声信号中有效地提取信息。 调制解调器制造商正在使用这两种方法，改进接收器的射频模块并改进数字信号处理算法。 提高调制解调器接收器的灵敏度不会像增加发射器功率那样导致功耗和散热量急剧增加。 当然，能源消耗和热量产生有所增加，但幅度相当小。

从实现所需通信范围的角度来看，推荐使用以下调制解调器选择算法。

  1. 决定数据传输速率。
  2. 选择对所需速度具有最佳灵敏度的调制解调器。
  3. 通过计算或实验确定通讯范围。
  4. 如果通信范围小于必要的范围，则尝试使用以下措施（按优先级降序排列）：

  • 通过使用工作频率下线性衰减较低的电缆和/或减少电缆长度，减少天线电缆 $inline$L_{TXdB}$inline$、$inline$L_{RXdB}$inline$ 的损耗；
  • 增加天线增益$inline$G_{TXdB}$inline$、$inline$G_{RXdB}$inline$；
  • 增加调制解调器发射器功率。

根据以下规则，灵敏度值取决于数据传输速率：速度越高 - 灵敏度越差。 例如，98 Mbps 的 -8 dBm 灵敏度优于 95 Mbps 的 -12 dBm 灵敏度。 您只能在相同数据传输速度的情况下比较调制解调器的灵敏度。

调制解调器规范中几乎总是提供有关发射器功率的数据，但有关接收器灵敏度的数据并不总是可用或不充分。 至少，这是一个值得警惕的理由，因为隐藏美丽的数字几乎没有意义。 此外，制造商不公布敏感度数据，剥夺了消费者通过计算估计通信范围的机会。 对 调制解调器购买。

最大数据传输率

如果明确定义了速度要求，则根据此参数选择调制解调器相对简单。 但也有一些细微差别。

如果要解决的问题需要保证最大可能的通信范围，同时又可以为无线链路分配足够宽的频段，那么最好选择支持较宽频段（带宽）的调制解调器。 事实上，所需的信息速度可以通过使用密集类型的调制（16QAM、64QAM、256QAM等）在相对较窄的频带内实现，或者通过使用低密度调制（BPSK、QPSK等）在较宽的频带内实现。 ）。 对于此类任务，优选使用低密度调制，因为它具有更高的抗噪性。 因此，接收器的灵敏度更好；相应地，调制解调器的能量预算增加，从而增加通信范围。

有时，无人机制造商将无线电链路的信息速度设置为远高于源速度，实际上是 2 倍或更多倍，认为视频编解码器等源具有可变比特率，并且应选择调制解调器速度时考虑最大值比特率排放。 在这种情况下，通讯范围自然就缩小了。 除非绝对必要，否则不应使用此方法。 大多数现代调制解调器在发射器中都有一个很大的缓冲区，可以平滑比特率峰值而不会丢失数据包。 因此，不需要超过25%的速度储备。 如果有理由相信所购买的调制解调器的缓冲能力不足并且需要显着更大的速度提升，那么最好拒绝购买这样的调制解调器。

数据传输延迟

在评估此参数时，重要的是要将与无线链路上的数据传输相关的延迟与信息源的编码/解码设备（例如视频编解码器）创建的延迟分开。 无线电链路中的延迟由 3 个值组成。

  1. 由于发送器和接收器中的信号处理而产生的延迟。
  2. 由于信号从发射器传播到接收器而产生的延迟。
  3. 由于时分双工 (TDD) 调制解调器中发送器中的数据缓冲而导致的延迟。

根据作者的经验，1 类延迟的范围从几十微秒到一毫秒。 类型 2 延迟取决于通信范围，例如，对于 100 公里的链路，该延迟为 333 μs。 类型 3 延迟取决于 TDD 帧的长度以及传输周期持续时间与总帧持续时间的比率，并且可以从 0 到帧持续时间变化，即它是随机变量。 如果传输的信息包在调制解调器处于传输周期时位于发射机输入处，则该数据包将以零延迟类型 3 在空中传输。如果该数据包稍晚并且接收周期已经开始，则它将在接收周期的持续时间内在发送器缓冲区中延迟。 典型的 TDD 帧长度范围为 2 至 20 ms，因此最坏情况下的 Type 3 延迟不会超过 20 ms。 因此，无线电链路中的总延迟将在 3−21 ms 范围内。

找出无线电链路延迟的最佳方法是使用实​​用程序评估网络特性进行全面实验。 不建议使用请求-响应方法来测量延迟，因为 TDD 调制解调器的前向和反向延迟可能不同。

重量和尺寸参数

根据此标准选择板载调制解调器单元不需要任何特殊注释：越小、越轻越好。 不要忘记冷却车载单元的需要；可能需要额外的散热器，因此重量和尺寸也可能增加。 这里应优先考虑轻型、小型、低功耗的设备。

对于地面单元来说，质量维度参数并不那么重要。 使用和安装的简便性脱颖而出。 地面单元应该是一个能够可靠地保护免受外部影响的设备，并具有方便的安装系统到桅杆或三脚架上。 一个好的选择是将接地单元与天线集成在同一外壳中。 理想情况下，地面单元应通过一个方便的连接器连接到控制系统。 当您需要在-20度的温度下进行部署工作时，这将使您免受强硬言论的影响。

饮食需求

通常，机载设备在生产时支持多种电源电压，例如 7-30 V，涵盖了无人机电源网络中的大部分电压选项。 如果您有机会从多个电源电压中进行选择，请优先选择最低的电源电压值。 通常，调制解调器通过辅助电源由 3.3 和 5.0 V 的电压进行内部供电。 调制解调器的输入电压和内部电压之间的差异越小，这些辅助电源的效率就越高。 提高效率意味着减少能源消耗和热量产生。

另一方面，地面单元必须支持来自相对较高电压源的电力。 这样可以使用横截面较小的电源线，从而减轻重量并简化安装。 在其他条件相同的情况下，优先考虑支持 PoE（以太网供电）的地面设备。 在这种情况下，只需一根以太网电缆即可将地面单元连接到控制站。

独立的控制/遥测通道

当无人机上没有剩余空间来安装单独的命令遥测调制解调器时，这是一个重要的功能。 如果有空间，则可以使用宽带调制解调器的单独控制/遥测通道作为备份。 选择具有此选项的调制解调器时，请注意调制解调器支持与无人机通信所需的协议（MAVLink 或专有）以及将控制通道/遥测数据复用到地面站（GS ）。 例如，宽带调制解调器的机载单元通过RS232、UART或CAN等接口与自驾仪连接，地面单元通过以太网接口与控制计算机连接，需要通过以太网接口交换命令、遥测和视频信息。 在这种情况下，调制解调器必须能够在机载单元的 RS232、UART 或 CAN 接口与地面单元的以太网接口之间复用命令和遥测流。

其他需要注意的参数

双工模式的可用性。 无人机宽带调制解调器支持单工或双工操作模式。 在单工模式下，仅允许在从无人机到 NS 的方向上传输数据，而在双工模式下，则允许在两个方向上传输数据。 通常，单工调制解调器具有内置视频编解码器，并且设计用于与没有视频编解码器的摄像机一起使用。 单工调制解调器不适合连接到 IP 摄像机或任何其他需要 IP 连接的设备。 相反，双工调制解调器通常被设计用于连接无人机的机载 IP 网络与 NS 的 IP 网络，即它支持 IP 摄像机和其他 IP 设备，但可能没有内置在视频编解码器中，因为 IP 摄像机通常具有您的视频编解码器。 以太网接口支持仅在全双工调制解调器中可用。

分集接收（RX分集）。 为了确保整个飞行距离内的持续通信，必须具备此功能。 当在地球表面传播时，无线电波以两束波束到达接收点：沿着直接路径并从表面反射。 如果两束波的相加同相，则接收点处的场增强，如果反相，则接收点处的场减弱。 这种削弱可能相当严重——直至完全失去联系。 NS 上存在位于不同高度的两个天线，有助于解决这一问题，因为如果在一个天线的位置，波束反相添加，那么在另一个天线的位置则不会。 因此，您可以在整个距离内实现稳定的连接。
支持的网络拓扑。 建议选择不仅支持点对点 (PTP) 拓扑，而且还支持点对多点 (PMP) 和中继（中继器）拓扑的调制解调器。 通过额外的无人机使用中继可以显着扩大主无人机的覆盖范围。 PMP 支持将允许您同时从一台 NS 上的多架无人机接收信息。 另请注意，与单个无人机通信的情况相比，支持 PMP 和中继将需要增加调制解调器带宽。 因此，对于这些模式，建议选择支持宽频带（至少 15-20 MHz）的调制解调器。

提高抗噪声能力的手段的可用性。 考虑到无人机使用区域的强干扰环境，这是一个有用的选择。 抗噪声能力被理解为通信系统在通信信道中存在人为或自然干扰的情况下执行其功能的能力。 有两种方法可以对抗干扰。 方法1：设计调制解调器接收器，使其即使在通信信道频带存在干扰的情况下也能可靠地接收信息，但代价是信息传输速度有所降低。 方法 2：抑制或衰减接收器输入处的干扰。 第一种方法的实施示例是扩频系统，即：跳频（FH）、伪随机序列扩频（DSSS）或两者的混合。 由于这种通信信道中所需的数据传输速率较低，跳频技术已在无人机控制信道中得到广泛应用。 例如，对于16MHz频段20kbit/s的速度，可以组织大约500个频率位置，从而可以可靠地防止窄带干扰。 将跳频用于宽带通信信道是有问题的，因为所得到的频带太大。 例如，要在处理 500 MHz 带宽的信号时获得 4 个频率位置，您将需要 2 GHz 的可用带宽！ 太多了，不真实。 将 DSSS 用于无人机的宽带通信信道更为相关。 在该技术中，每个信息位在信号频带中的几个（甚至所有）频率上同时复制，并且在存在窄带干扰的情况下，可以与不受干扰影响的频谱部分分离。 DSSS以及FH的使用意味着当信道中出现干扰时，将需要降低数据传输速率。 尽管如此，很明显，从无人机接收较低分辨率的视频总比什么都不接收要好。 方法 2 利用的事实是，与接收器的内部噪声不同，干扰从外部进入无线电链路，并且如果调制解调器中存在某些方法，则可以抑制干扰。 如果干扰局限于频谱、时间或空间域，则可以抑制干扰。 例如，窄带干扰集中在光谱区域，可以使用特殊的滤波器从光谱中“切除”。 类似地，脉冲噪声位于时域；为了抑制它，需要从接收器的输入信号中移除受影响的区域。 如果干扰不是窄带或脉冲的，则可以使用空间抑制器来抑制它，因为 干扰从某个方向的源进入接收天线。 如果接收天线辐射方向图的零点位于干扰源方向，干扰就会被抑制。 此类系统称为自适应波束形成和波束归零系统。

使用的无线电协议。 调制解调器制造商可以使用标准（WiFi、DVB-T）或专有无线电协议。 该参数在规格中很少注明。 DVB-T 的使用通过支持的频段 2/4/6/7/8（有时为 10 MHz）以及结合使用 OFDM 的 COFDM（编码 OFDM）技术规范文本中的提及来间接表明具有抗噪声编码。 顺便说一句，我们注意到COFDM纯粹是一个广告口号，与OFDM相比没有任何优势，因为没有抗噪声编码的OFDM从未在实践中使用过。 当您在无线电调制解调器规范中看到这些缩写时，请将 COFDM 和 OFDM 等同起来。

使用标准协议的调制解调器通常建立在与微处理器配合工作的专用芯片（WiFi、DVB-T）的基础上。 使用定制芯片可以减轻调制解调器制造商在设计、建模、实施和测试自己的无线电协议方面的许多麻烦。 微处理器用于为调制解调器提供必要的功能。 这种调制解调器具有以下优点。

  1. 低价。
  2. 良好的重量和尺寸参数。
  3. 低功耗。

也有缺点。

  1. 无法通过更改固件来更改无线电接口的特性。
  2. 长期供应稳定性较差。
  3. 在解决非标准问题时提供合格技术支持的能力有限。

供应稳定性低是由于芯片制造商主要关注大众市场（电视、计算机等）。 无人机调制解调器制造商不是他们的优先考虑对象，他们不能以任何方式影响芯片制造商停止生产而不用其他产品进行充分替代的决定。 将无线电接口封装到专用微电路（例如“片上系统”（System on Chip - SoC））中的趋势进一步强化了这一特征，因此单独的无线电接口芯片逐渐从半导体市场中被淘汰。

提供技术支持的能力有限，因为基于标准无线电协议的调制解调器开发团队配备了充足的专家，主要是电子和微波技术领域的专家。 那里可能根本没有无线电通信专家，因为他们没有需要解决的问题。 因此，寻求解决重要无线电通信问题的无人机制造商可能会在咨询和技术援助方面感到失望。

使用专有无线电协议的调制解调器是在通用模拟和数字信号处理芯片的基础上构建的。 此类芯片的供货稳定性非常高。 诚然，价格也很高。 这种调制解调器具有以下优点。

  1. 使调制解调器适应客户需求的广泛可能性，包括通过更改固件来适应无线电接口。
  2. 额外的无线电接口功能对于无人机的使用很有趣，但在基于标准无线电协议的调制解调器中却没有。
  3. 供应的高稳定性，包括。 在长期。
  4. 高水平的技术支持，包括解决非标准问题。

缺点。

  1. 价格高
  2. 重量和尺寸参数可能比使用标准无线电协议的调制解调器更差。
  3. 数字信号处理单元的功耗增加。

部分无人机调制解调器技术数据

表中列出了市场上部分无人机调制解调器的技术参数。

请注意，虽然 3D Link 调制解调器与 Picoradio OEM 和 J11 调制解调器相比具有最低的传输功率（25 dBm 与 27−30 dBm），但由于接收器灵敏度较高（使用所比较的调制解调器的数据传输速度相同）。 因此，使用 3D Link 时的通信范围将更大，并且能量隐形性更好。

桌子。 一些用于无人机和机器人的宽带调制解调器的技术数据

参数
3D链接
Skyhopper PRO
皮卡迪奥 OEM （在模块上执行 pDDL2450 来自微硬）
SOLO7
（也可以看看 SOLO7 接收器)
J11

制造商，国家
地理扫描、射频
以色列移动通信公司
加拿大航空创新公司
英国 DTC
雷德斯，中国

通讯范围[公里]
20-60
5
不适用*
不适用*
10-20

速度​​[Mbps]
0.023-64.9
1.6-6
0.78-28
0.144-31.668
1.5-6

数据传输延迟[毫秒]
1-20
25
不适用*
15-100
15-30

车载单元尺寸 LxWxH [mm]
77h45h25
74h54h26
40x40x10（不含外壳）
67h68h22
76h48h20

船上单位重量 [克]
89
105
17.6（不含外壳）
135
88

信息接口
以太网、RS232、CAN、USB
以太网、RS232、USB（可选）
以太网、RS232/UART
HDMI、AV、RS232、USB
HDMI、以太网、UART

板载装置电源 [伏/瓦]
7−30/6.7
7−26/n/a*
5−58/4.8
5.9−17.8/4.5−7
7−18/8

地面装置功率 [伏/瓦]
18−75 或 PoE/7
7−26/n/a*
5−58/4.8
6−16/8
7−18/5

发射机功率 [dBm]
25
不适用*
27-30
20
30

接收器灵敏度 [dBm]（速度 [Mbit/s]）
−122(0.023) −101(4.06) −95.1(12.18) −78.6(64.96)
−101(不适用*)
−101(0.78) −96(3.00) −76(28.0)
−95(n/a*) −104(n/a*)
−97(1.5) −94(3.0) −90(6.0)

调制解调器能量预算 [dB]（速度 [Mbit/sec]）
147(0.023) 126(4.06) 120.1(12.18) 103.6(64.96)
不适用*
131(0.78) 126(3.00) 103(28.0)
不适用*
127 (1.5) 124 (3.0) 120 (6.0)

支持的频段 [MHz]
4-20
4.5; 8.5
2 4; 8
0.625个； 1.25个； 2.5; 6; 7; 8
2 4; 8

单工/双工
双工
双工
双工
单纯形
双工

多元化支持
是的
是的
是的
是的
是的

用于控制/遥测的独立通道
是的
是的
是的
没有
是的

控制/遥测通道支持的无人机控制协议
MAVLink，专有
MAVLink，专有
没有
没有
MAV 链接

控制/遥测通道中的多路复用支持
是的
是的
没有
没有
不适用*

网络拓扑
PTP、PMP、中继
PTP、PMP、中继
PTP、PMP、中继
PTP
PTP、PMP、中继

提高抗噪声能力的方法
DSSS、窄带和脉冲抑制器
不适用*
不适用*
不适用*
不适用*

无线电协议
所有权
不适用*
不适用*
DVB-T
不适用*

* n/a - 无数据。

关于作者

亚历山大·斯莫罗季诺夫 [[电子邮件保护]] 是 Geoscan LLC 无线通信领域的领先专家。 从2011年至今，他一直致力于开发用于各种用途的宽带无线电调制解调器的无线电协议和信号处理算法，以及基于可编程逻辑芯片实现所开发的算法。 作者感兴趣的领域包括同步算法、信道属性估计、调制/解调、抗噪声编码以及一些媒体访问层（MAC）算法的开发。 在加入 Geoscan 之前，作者曾在多个组织工作，开发定制无线通信设备。 2002 年至 2007 年，他在 Proteus LLC 工作，担任基于 IEEE802.16 (WiMAX) 标准的通信系统开发领域的领先专家。 1999年至2002年，作者在联邦国家统一企业中央研究所“Granit”参与抗噪声编码算法的开发和无线电链路路由的建模。 作者于 1998 年获得圣彼得堡航空航天仪器大学技术科学副学士学位，并于 1995 年获得该大学无线电工程学位。 Alexander 是 IEEE 和 IEEE 通信协会的现任成员。

来源： habr.com

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