從無人機 (UAV) 或地面機器人傳輸大量數據的挑戰在現代應用中並不罕見。 本文討論寬頻數據機的選擇標準和相關問題。 本文是為無人機和機器人開發人員撰寫的。
選擇標準
為無人機或機器人選擇寬頻數據機的主要標準是：
- 通訊範圍。
- 最大資料傳輸率。
- 資料傳輸延遲。
- 重量和尺寸參數。
- 支援的資訊介面。
- 營養需求。
- 獨立的控制/遙測通道。
通訊範圍
通訊範圍不僅取決於數據機，還取決於天線、天線電纜、無線電波傳播條件、外部幹擾等原因。 為了將數據機本身的參數與其他影響通訊範圍的參數分開，請考慮範圍方程式 [Kalinin A.I., Cherenkova E.L. 無線電波的傳播和無線電鏈路的操作。 聯繫。 莫斯科。 1971]
$$顯示$$ 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}},$$顯示$$
哪裡
$inline$R$inline$ — 所需的通訊範圍（以公尺為單位）；
$inline$F$inline$ — 頻率（以 Hz 為單位）；
$inline$P_{TXdBm}$inline$ — 數據機發射器功率（dBm）；
$inline$G_{TXdB}$inline$ — 發射機天線增益（dB）；
$inline$L_{TXdB}$inline$ — 從數據機到發射器天線的電纜損耗，以 dB 為單位；
$inline$G_{RXdB}$inline$ — 接收器天線增益，單位為 dB；
$inline$L_{RXdB}$inline$ — 從數據機到接收器天線的電纜損耗，以 dB 為單位；
$inline$P_{RXdBm}$inline$ — 數據機接收器的靈敏度，以 dBm 為單位；
$inline$|V|_{dB}$inline$是一個衰減因子，考慮了由於地球表面、植被、大氣等因素影響而產生的額外損耗，單位為dB。
從範圍方程式可以清楚地看出，範圍僅取決於調製解調器的兩個參數：發射器功率$inline$P_{TXdBm}$inline$ 和接收器靈敏度$inline$P_{RXdBm}$inline$，或更確切地說取決於它們的差異- 調製解調器的能量預算
$$顯示$$B_m=P_{TXdBm}-P_{RXdBm}.$$顯示$$
範圍方程式中的其餘參數描述了訊號傳播條件和天饋設備的參數，即與調製解調器無關。
因此，為了增加通訊範圍，您需要選擇$inline$B_m$inline$值較大的數據機。 反過來，$inline$B_m$inline$ 可以透過增加 $inline$P_{TXdBm}$inline$ 或減少 $inline$P_{RXdBm}$inline$ 來增加。 在大多數情況下，無人機開發人員正在尋找具有高發射器功率的數據機，而很少關注接收器的靈敏度，儘管他們需要做的恰恰相反。 寬頻調變解調器的強大板載發射器會帶來以下問題：
- 能源消耗高；
- 需要冷卻；
- 與無人機其他機載設備的電磁相容性（EMC）惡化；
- 低能量保密性。
前兩個問題與以下事實有關：透過無線電通道傳輸大量資訊的現代方法（例如 OFDM）需要 線性 發射機。 現代化線性無線電發射機的效率很低：10-30%。 因此，無人機電源70-90%的寶貴能量都轉化為熱量，必須有效地將熱量從調製解調器中排出，否則調製解調器會在最不合時宜的時刻因過熱而發生故障或輸出功率下降。 例如，2 W 發射器將從電源消耗 6-20 W 功率，其中 4-18 W 將轉換為熱量。
無線電鏈路的能量隱形對於特殊和軍事應用非常重要。 低隱身性意味著調製解調器訊號被幹擾站的偵察接收機以相對較高的機率檢測到。 因此，抑制能量隱蔽性低的無線鏈路的機率也較高。
調變解調器接收器的靈敏度表徵其從給定品質等級的接收訊號中提取資訊的能力。 品質標準可能有所不同。 對於數位通訊系統，最常使用的是誤碼機率（誤碼率 - BER）或資訊包中出現錯誤的機率（誤幀率 - FER）。 實際上，靈敏度是必須從中提取資訊的訊號本身的層次。 例如，BER = 98−10 時靈敏度為−6 dBm 表示可以從−98 dBm 或更高等級的訊號中提取具有這種 BER 的信息，但等級為 -99 dBm 的資訊也可以提取。不再從電平為-1 dBm 的訊號中擷取。 當然，隨著訊號電平的降低，品質會逐漸下降，但值得注意的是，大多數現代數據機都有所謂的「品質下降」。 閾值效應，當訊號電平降低到靈敏度以下時，品質會很快下降。 將訊號降低到靈敏度以下 2-10 dB 就足以使 BER 增加到 1-XNUMX，這意味著您將不再看到來自無人機的影片。 閾值效應是香農定理對噪音通道的直接推論；它無法消除。 當訊號電平降低到靈敏度以下時，由於接收器本身內部形成的雜訊的影響，會發生訊息破壞。 接收器的內部噪音無法完全消除，但可以降低其等級或學會從噪音訊號中有效地提取資訊。 調製解調器製造商正在使用這兩種方法，改進接收器的射頻模組並改進數位訊號處理演算法。 提高調變解調器接收器的靈敏度不會像增加發射器功率那樣導致功耗和散熱量急劇增加。 當然，能源消耗和熱量產生有所增加，但幅度相當小。
從實現所需通訊範圍的角度來看，建議使用以下調變解調器選擇演算法。
- 決定資料傳輸速率。
- 選擇對所需速度具有最佳靈敏度的數據機。
- 透過計算或實驗確定通訊範圍。
- 如果通訊範圍小於必要的範圍，則嘗試使用下列措施（按優先順序降序排列）：
- 透過使用工作頻率下線性衰減較低的電纜和/或減少電纜長度，減少天線電纜 $inline$L_{TXdB}$inline$、$inline$L_{RXdB}$inline$ 的損耗；
- 增加天線增益$inline$G_{TXdB}$inline$、$inline$G_{RXdB}$inline$；
- 增加調變解調器發射器功率。
根據以下規則，靈敏度值取決於資料傳輸速率：速度越高 - 靈敏度越差。 例如，98 Mbps 的 -8 dBm 靈敏度優於 95 Mbps 的 -12 dBm 靈敏度。 您只能在相同資料傳輸速度的情況下比較調變解調器的靈敏度。
調變解調器規格中幾乎總是提供有關發射器功率的數據，但有關接收器靈敏度的數據並不總是可用或不充分。 至少，這是一個值得警惕的理由，因為隱藏美麗的數字幾乎沒有意義。 此外，製造商不公佈敏感度數據，剝奪了消費者透過計算估計通訊範圍的機會。 對 調製解調器購買。
最大資料傳輸率
如果明確定義了速度要求，則根據此參數選擇調變解調器相對簡單。 但也有一些細微差別。
如果要解決的問題需要確保最大可能的通訊範圍，同時又可以為無線鏈路分配足夠寬的頻段，那麼最好選擇支援較寬頻段（頻寬）的數據機。 事實上，所需的資訊速度可以透過使用密集類型的調變（16QAM、64QAM、256QAM等）在相對較窄的頻帶內實現，或透過使用低密度調變（BPSK、QPSK等）在較寬的頻帶內實現。 ）。 對於此類任務，優先使用低密度調製，因為它具有更高的抗雜訊性。 因此，接收器的靈敏度較好；相應地，調變解調器的能量預算增加，從而增加通訊範圍。
有時，無人機製造商將無線電鏈路的資訊速度設定為遠高於來源速度，實際上是2 倍或更多倍，認為視訊編解碼器等來源具有可變位元率，並且應選擇調製解調器速度時考慮最大值比特率排放。 在這種情況下，通訊範圍自然就縮小了。 除非絕對必要，否則不應使用此方法。 大多數現代數據機在發射器中都有一個很大的緩衝區，可以平滑位元率峰值而不會丟失資料包。 因此，不需要超過25%的速度儲備。 如果有理由相信所購買的數據機的緩衝能力不足並且需要顯著更大的速度提升，那麼最好拒絕購買這樣的數據機。
資料傳輸延遲
在評估此參數時，重要的是要將與無線鏈路上的資料傳輸相關的延遲與資訊來源的編碼/解碼設備（例如視訊編解碼器）所建立的延遲分開。 無線電鏈路中的延遲由 3 個值組成。
- 由於發送器和接收器中的訊號處理而產生的延遲。
- 由於訊號從發射器傳播到接收器而產生的延遲。
- 由於時分雙工 (TDD) 數據機中發送器中的資料緩衝而導致的延遲。
根據作者的經驗，1 類延遲的範圍從幾十微秒到一毫秒。 類型 2 延遲取決於通訊範圍，例如，對於 100 公里的鏈路，延遲為 333 μs。 類型 3 延遲取決於 TDD 幀的長度以及傳輸週期持續時間與總幀持續時間的比率，並且可以從 0 到幀持續時間變化，即它是隨機變數。 如果傳輸的資訊包在數據機處於傳輸週期時位於發送器輸入處，則該資料包將以零延遲類型 3 在空中傳輸。如果該資料包稍晚且接收週期已經開始，則它將在接收週期的持續時間內在發送器緩衝區中延遲。 典型的 TDD 幀長度範圍為 2 至 20 ms，因此最壞情況下的 Type 3 延遲不會超過 20 ms。 因此，無線電鏈路中的總延遲將在 3−21 ms 範圍內。
找出無線電鏈路延遲的最佳方法是使用實用程式評估網路特性進行全面實驗。 不建議使用請求-回應方法來測量延遲，因為 TDD 數據機的前向和反向延遲可能不同。
重量及尺寸參數
根據此標準選擇板載調變解調器單元不需要任何特殊註解：越小、越輕越好。 不要忘記冷卻車載單元的需要；可能需要額外的散熱器，因此重量和尺寸也可能增加。 這裡應優先考慮輕型、小型、低功耗的設備。
對於地面單元來說，質量維度參數並不那麼重要。 使用和安裝的簡便性脫穎而出。 地面單元應該是一個能夠可靠地保護免受外部影響的設備，並具有方便的安裝系統到桅杆或三腳架上。 一個好的選擇是將接地單元與天線整合在同一外殼中。 理想情況下，地面單元應透過一個方便的連接器連接到控制系統。 當您需要在-20度的溫度下進行部署工作時，這將使您免受強硬言論的影響。
飲食需求
通常，機載設備在生產時支援多種電源電壓，例如 7-30 V，涵蓋了無人機電源網路中的大部分電壓選項。 如果您有機會從多個電源電壓中進行選擇，請優先選擇最低的電源電壓值。 通常，數據機透過輔助電源由 3.3 和 5.0 V 的電壓進行內部供電。 數據機的輸入電壓和內部電壓之間的差異越小，這些輔助電源的效率就越高。 提高效率意味著減少能源消耗和熱量產生。
另一方面，地面單元必須支援來自相對較高電壓源的電力。 這樣可以使用橫截面較小的電源線，從而減輕重量並簡化安裝。 在其他條件相同的情況下，優先考慮支援 PoE（乙太網路供電）的地面設備。 在這種情況下，只需一條乙太網路電纜即可將地面單元連接到控制站。
獨立的控制/遙測通道
當無人機上沒有剩餘空間來安裝單獨的命令遙測調變解調器時，這是一個重要的功能。 如果有空間，則可以使用寬頻數據機的單獨控制/遙測通道作為備份。 選擇具有此選項的調變解調器時，請注意調變解調器支援與無人機通訊所需的協定（MAVLink 或專有）以及將控制通道/遙測資料復用到地面站（GS ）。 例如，寬頻數據機的機載單元透過RS232、UART或CAN等介面與自駕儀連接，地面單元透過乙太網路介面與控制電腦連接，需要透過乙太網路介面交換指令、遙測和視訊資訊。 在這種情況下，數據機必須能夠在機載單元的 RS232、UART 或 CAN 介面與地面單元的乙太網路介面之間重複使用指令和遙測流。
其他需要注意的參數
雙工模式的可用性。 無人機寬頻數據機支援單工或雙工操作模式。 在單工模式下，僅允許在從無人機到 NS 的方向上傳輸數據，而在雙工模式下，則允許在兩個方向上傳輸數據。 通常，單工調製解碼器具有內建視訊編解碼器，並且設計用於與沒有視訊編解碼器的攝影機一起使用。 單工數據機不適合連接到 IP 攝影機或任何其他需要 IP 連線的裝置。 相反，雙工調變解調器通常被設計用於連接無人機的機載 IP 網路與 NS 的 IP 網絡，即它支援 IP 攝影機和其他 IP 設備，但可能沒有內建在視訊編解碼器中，因為IP 攝影機通常具有您的視訊編解碼器。 乙太網路介面支援僅在全雙工調變解調器中可用。
分集接收（RX分集）。 為了確保整個飛行距離內的持續通信，必須具備此功能。 當在地球表面傳播時，無線電波以兩束波束到達接收點：沿著直接路徑並從表面反射。 如果兩束波的相加同相，則接收點處的場增強，如果反相，則接收點處的場減弱。 這種削弱可能相當嚴重—直至完全失去聯繫。 NS 上存在位於不同高度的兩個天線，有助於解決這個問題，因為如果在一個天線的位置，波束反相添加，那麼在另一個天線的位置則不會。 因此，您可以在整個距離內實現穩定的連接。
支援的網路拓撲。 建議選擇不僅支援點對點 (PTP) 拓撲，而且還支援點對多點 (PMP) 和中繼（中繼器）拓撲的數據機。 透過額外的無人機使用中繼可以顯著擴大主無人機的覆蓋範圍。 PMP 支援將允許您同時從一台 NS 上的多架無人機接收訊息。 另請注意，與單一無人機通訊的情況相比，支援 PMP 和中繼將需要增加數據機頻寬。 因此，對於這些模式，建議選擇支援寬頻帶（至少 15-20 MHz）的數據機。
提高抗噪音能力的手段的可用性。 考慮到無人機使用區域的強烈幹擾環境，這是一個有用的選擇。 抗噪音能力被理解為通訊系統在通訊頻道中存在人為或自然幹擾的情況下執行其功能的能力。 有兩種方法可以對抗干擾。 方法1：設計調變解調器接收器，使其即使在通訊頻道頻帶存在幹擾的情況下也能可靠地接收訊息，但代價是訊息傳輸速度降低。 方法 2：抑製或衰減接收器輸入處的干擾。 第一種方法的實作範例是擴頻系統，即：跳頻（FH）、偽隨機序列擴頻（DSSS）或兩者的混合。 由於這種通訊頻道中所需的資料傳輸速率較低，跳頻技術已在無人機控制頻道中廣泛應用。 例如，對於16MHz頻段20kbit/s的速度，可以組織大約500個頻率位置，這可以可靠地防止窄帶幹擾。 將跳頻用於寬頻通訊頻道是有問題的，因為所得到的頻帶太大。 例如，要在處理 500 MHz 頻寬的訊號時獲得 4 個頻率位置，您將需要 2 GHz 的可用頻寬！ 太多了，不真實。 將 DSSS 用於無人機的寬頻通訊頻道更為相關。 在該技術中，每個資訊位元在訊號頻帶中的幾個（甚至所有）頻率上同時複製，並且在存在窄帶幹擾的情況下，可以與不受干擾影響的頻譜部分分離。 DSSS以及FH的使用意味著當通道中出現幹擾時，將需要降低資料傳輸速率。 儘管如此，很明顯，從無人機接收較低解析度的視訊總比什麼都不接收要好。 方法 2 利用的事實是，與接收器的內部雜訊不同，幹擾從外部進入無線電鏈路，並且如果調變解調器中存在某些方法，則可以抑制干擾。 如果乾擾局限於頻譜、時間或空間域，則可以抑制干擾。 例如，窄帶乾擾集中在光譜區域，可以使用特殊的濾波器從光譜中「切除」。 類似地，脈衝雜訊位於時域；為了抑制它，需要從接收器的輸入訊號中移除受影響的區域。 如果幹擾不是窄帶或脈衝的，則可以使用空間抑制器來抑制它，因為 幹擾從某個方向的來源進入接收天線。 如果接收天線輻射方向圖的零點位於幹擾源方向，幹擾就會被抑制。 此類系統稱為自適應波束形成和波束歸零系統。
使用的無線電協定。 數據機製造商可以使用標準（WiFi、DVB-T）或專有無線電協定。 此參數在規格中很少註明。 DVB-T 的使用透過支援的頻段 2/4/6/7/8（有時為 10 MHz）以及結合使用 OFDM 的 COFDM（編碼 OFDM）技術規範文本中的提及來間接表明具有抗噪音編碼。 順便說一句，我們注意到COFDM純粹是廣告口號，與OFDM相比沒有任何優勢，因為沒有抗噪音編碼的OFDM從未在實踐中使用過。 當您在無線電調變解調器規格中看到這些縮寫時，請將 COFDM 和 OFDM 等同起來。
使用標準協定的數據機通常建立在與微處理器配合工作的專用晶片（WiFi、DVB-T）的基礎上。 使用客製化晶片可以減輕調製解調器製造商在設計、建模、實施和測試自己的無線電協定方面的許多麻煩。 微處理器用於為數據機提供必要的功能。 這種調變解調器具有以下優點。
- 低價。
- 良好的重量和尺寸參數。
- 低功耗。
也有缺點。
- 無法透過變更韌體來變更無線電介面的特性。
- 長期供應穩定性較差。
- 在解決非標準問題時提供合格技術支援的能力有限。
供應穩定性低是由於晶片製造商主要關注大眾市場（電視、電腦等）。 無人機調變解調器製造商不是他們的優先考慮對象，他們不能以任何方式影響晶片製造商停止生產而不用其他產品進行充分替代的決定。 將無線電介面封裝到專用微電路（例如「系統單晶片」（System on Chip - SoC））中的趨勢進一步強化了這一特徵，因此單獨的無線電介面晶片逐漸從半導體市場中被淘汰。
提供技術支援的能力有限，因為基於標準無線電協定的調變解調器開發團隊配備了充足的專家，主要是電子和微波技術領域的專家。 那裡可能根本沒有無線電通訊專家，因為他們沒有需要解決的問題。 因此，尋求解決重要無線電通訊問題的無人機製造商可能會在諮詢和技術援助方面感到失望。
使用專有無線電協定的調變解調器是在通用類比和數位訊號處理晶片的基礎上建構的。 此類晶片的供貨穩定性非常高。 誠然，價格也很高。 這種調變解調器具有以下優點。
- 使調變解調器適應客戶需求的廣泛可能性，包括透過更改韌體來適應無線電介面。
- 額外的無線電介面功能對於無人機的使用很有趣，但在基於標準無線電協定的調變解調器中卻沒有。
- 供應的高穩定性，包括。 在長期。
- 高水準的技術支持，包括解決非標準問題。
缺點。
- 價格高
- 重量和尺寸參數可能比使用標準無線電協定的數據機更差。
- 數位訊號處理單元的功耗增加。
部分無人機調變解調器技術數據
表中列出了市場上部分無人機調變解調器的技術參數。
請注意，雖然 3D Link 調變解調器與 Picoradio OEM 和 J11 調變解調器相比具有最低的傳輸功率（25 dBm 與 27−30 dBm），但由於接收器靈敏度較高（使用所比較的調變解調器的資料傳輸速度相同）。 因此，使用 3D Link 時的通訊範圍將更大，並且能量隱形性更好。
桌子。 一些用於無人機和機器人的寬頻調變解調器的技術數據
參數
（在模組上執行 來自微硬）
（也可以看看 )
製造商、國家
地理掃描、射頻
以色列行動通訊公司
加拿大航空創新公司
英國 DTC
雷德斯，中國
通訊範圍[公里]
20-60
5
不適用*
不適用*
10-20
速度[Mbps]
0.023-64.9
1.6-6
0.78-28
0.144-31.668
1.5-6
資料傳輸延遲 [ms]
1-20
25
不適用*
15-100
15-30
車載單元尺寸 LxWxH [mm]
77h45h25
74h54h26
40x40x10（不含外殼）
67h68h22
76h48h20
船上單位重量 [克]
89
105
17.6（不含外殼）
135
88
資訊介面
乙太網路、RS232、CAN、USB
乙太網路、RS232、USB（可選）
乙太網路、RS232/UART
HDMI、AV、RS232、USB
HDMI、乙太網路、UART
板載裝置電源 [伏特/瓦]
7−30/6.7
7−26/n/a*
5−58/4.8
5.9−17.8/4.5−7
7−18/8
地面裝置功率 [伏/瓦]
18−75 或 PoE/7
7−26/n/a*
5−58/4.8
6−16/8
7−18/5
發射機功率 [dBm]
25
不適用*
27-30
20
30
接收器靈敏度 [dBm]（速度 [Mbit/s]）
−122(0.023) −101(4.06) −95.1(12.18) −78.6(64.96)
−101(不適用*)
−101(0.78) −96(3.00) −76(28.0)
−95(n/a*) −104(n/a*)
−97(1.5) −94(3.0) −90(6.0)
調變解調器能量預算 [dB]（速度 [Mbit/sec]）
147(0.023) 126(4.06) 120.1(12.18) 103.6(64.96)
不適用*
131(0.78) 126(3.00) 103(28.0)
不適用*
127 (1.5) 124 (3.0) 120 (6.0)
支援的頻段 [MHz]
4-20
4.5; 8.5
2 4; 8
0.625; 1.25; 2.5; 6; 7; 8
2 4; 8
單工/雙工
雙工
雙工
雙工
單純形
雙工
多元化支持
是的
是的
是的
是的
是的
用於控制/遙測的獨立通道
是的
是的
是的
沒有
是的
控制/遙測通道支援的無人機控制協議
MAVLink，專有
MAVLink，專有
沒有
沒有
MAV 鏈接
控制/遙測通道中的多路復用支持
是的
是的
沒有
沒有
不適用*
網路拓撲
PTP、PMP、中繼
PTP、PMP、中繼
PTP、PMP、中繼
PTP
PTP、PMP、中繼
提高抗噪音能力的方法
DSSS、窄頻和脈衝抑制器
不適用*
不適用*
不適用*
不適用*
無線電協定
所有權
不適用*
不適用*
DVB-T
不適用*
* n/a - 無數據。
關於作者
亞歷山大·斯莫羅季諾夫 [[電子郵件保護]] 是 Geoscan LLC 無線通訊領域的領先專家。 從2011年至今，他一直致力於開發用於各種用途的寬頻無線電調變解調器的無線電協定和訊號處理演算法，以及基於可程式邏輯晶片實現所開發的演算法。 作者感興趣的領域包括同步演算法、通道屬性估計、調製/解調、抗噪音編碼以及一些媒體存取層（MAC）演算法的開發。 在加入 Geoscan 之前，作者曾在多個組織工作，開發客製化無線通訊設備。 2002 年至 2007 年，他在 Proteus LLC 工作，擔任基於 IEEE802.16 (WiMAX) 標準的通訊系統開發領域的領先專家。 1999年至2002年，作者在聯邦國家統一企業中央研究所「Granit」參與抗噪音編碼演算法的開發和無線電鏈路路由的建模。 作者於 1998 年獲得聖彼得堡航空航天儀器大學技術科學副學士學位，並於 1995 年獲得該大學無線電工程學位。 Alexander 是 IEEE 和 IEEE 通訊協會的現任成員。
來源： www.habr.com