远距离无人机的无线通信设计

2018-3-16 15:30| 发布者: 闪电| 查看: 3| 评论: 0

摘要: 不同类型无人机通信有不同的特点。设计无人机通信，首先必须根据这一款无人机的特点。例如，如果是玩具无人机，一般用一两元的2.4G芯片。如果是远距离低空飞行的，就应该用几十兆或者几兆的通信频率，甚至要采用高 ...

不同类型无人机通信有不同的特点。设计无人机通信，首先必须根据这一款无人机的特点。例如，如果是玩具无人机，一般用一两元的2.4G芯片。如果是远距离低空飞行的，就应该用几十兆或者几兆的通信频率，甚至要采用高空中继通信方式（设置高空中继通信无人机）。为了无人机省电，地面站的发射机功率都比较大，接收机灵敏度也比较好，天线的方向性也很高。。。。。。后面会具体到如何设计电路，如何使用辅助软件设计电路（如ADS等等），设计PCB时应该注意什么，如何分级调试电路，每一级电路应该达到什么指标，如何设计高增益天线，如何设计八木天线阵和微带天线阵，如何根据图像传输速率决定发射机接收机的通频带，如何自动检测干扰和跳频等等。目前国内的无人机产品普遍使用的是2.4GHz短距离通用通信芯片，射频输出功率仅10mW，是玩具类无人机所用，完全不是工业级的无线通信芯片。也有考虑采用GPRS通信方式的，但是，不同国家的GPRS通信频率会不一样，所以采用GPRS操控的无人机出口是有问题的。为了保证对工业级或者军工级无人机的操控安全，RF-Datalink使用的通信电路必须是根据该无人机的用途专门设计，毕竟通信电路硬件的成本比无人机的成本低很多很多，绝对不应该因为RF-Datalink中断造成无人机失控坠毁。非常遗憾的是，由于缺乏这方面的人才，绝大部分的无人机坠毁都是因为RF-Datalink中断后失控造成的。主要原因是：

1） RF输出功率不够。

2） RF特别是微波2。4GHz电磁波盲区（相位抵消或屏蔽墙）。

3）同频干扰。远距离无人机的无线通信设计

（二）那如何去克服这3个主要问题呢？

1）RF输出功率不够。------这个很容易，加大RF输出功率就OK了。加大RF功率必须特别注意电路的分级屏蔽，防止天线辐射的强大信号干扰前级电路的工作。还要注意功放电路的散热和阻抗匹配问题，留足余量，严防功放电路烧毁。对于非工业级（军工级）的普通运用，有一个快捷省事的办法-可以利用八木天线（适应1GHz以下）和微带天线矩阵（适应1GHz以上），可以把有效控制距离提高4-10倍，其原理像手电筒的反光镜。

2）RF特别是微波2 .4GHz电磁波盲区（相位抵消或屏蔽墙）。-------克服电磁波盲区一般采用双频通信或者“救命功率”的办法。所谓双频通信就是用相差比较远的两个频率（例如868MHz和2.450GHz）发送同样的基带信号。“救命功率”就是指当飞行终端一旦出现与地面站“握手中断”，地面站将马上自动地成倍提高RF发射功率，保证“握手正常”，控制无人机脱离盲区。还有一种办法是多天线发射，也可以抵御盲区。

3）同频干扰。-------因为现在真正精通无线通信电路的实干家寥寥无几，我在这里为了描述得更加容易明白，把镜频干扰，中频干扰，邻频干扰等等一切可以通过接收机RF-AMP、MIXER、IF-AMP、DEMOD的干扰统称为同频干扰。接收机的整机通频带越宽，则越容易遭受同频干扰，所以接收“上下左右快慢”指令的接收机一般整机通频带是10KHz-75KHz，非常窄，提高抗干扰能力。而实时传输高清图像的接收机一般整机通频带是10MHz-30MHz，非常宽，这是高速率传输的必要条件。很多情况会使用两套接收机。克服同频干扰的方法主要是跳频、双频传输和把接收机整机通频带做窄，中频做高抵御镜频干扰和增加选频网络把选择性做好。要把接收机做到世界一流水平，必须对理论和指标非常清楚。比如说，如果你设计制造的接收机通带矩形系数不够好，实测邻频抑制小于理论设计值（例如小于50dB），那你必须马上找出原因，重做。否则你机器就很容易受到干扰,根本谈不上世界一流水平。

评估接收机性能的三大指标： a）灵敏度 b）选择性 c）基带保真度 a）灵敏度----脱离了“选择性”去追求灵敏度是没有意义的。有经验的资深射频工程师可能会注意到，单片接收机的测试灵敏度很高，但是在实际应用时效果却很差，在城市中特别明显。而一些国外带分立件接收机的接收机虽然测试灵敏度不高，使用效果却非常好，距离远而且非常稳定。为什么？这是因为测试灵敏度时，信号源与接收机是通过电缆连接的，外界的干扰被电缆屏蔽掉了，这个灵敏度是脱离了“选择性”的，意义不大。增加了高频带通、中频带通滤波器的接收机，由于带通滤波器的插入损耗，测试灵敏度会低一些，但是实际应用的效果会好很多。现在国内的大多数无线通信设计工程师，由于在学校学不到相关知识，只能等待半导体生产商提供现成的集成电路接收机。但是，由于半导体集成电路受材料和内部空间的限制，目前还不远远可能做出与分立件带通滤波器相似的效果。这种等待是没有意义的。一个产品，如果性能不如别人，就要被淘汰。建议测试“相对灵敏度”指标，就是使用两个信号源，一个作为干扰源在相邻频道发射干扰信号，然后再测灵敏度。 b）选择性----无线通信设计工程师必须非常熟悉邻道选择性、镜像选择性、中频选择性、通带阻带抑制比，通带矩形系数对接收机性能有什么影响，熟悉电路中什么零件会影响邻道选择性、镜像选择性、中频选择性、通带阻带抑制比、通带矩形系数指标。也必须熟悉滤波器的匹配、损耗和平坦度。后面将对这些指标解说。由于半导体集成电路受材料和内部空间的限制，半导体单片接收机一般采用“零中频”方案，所以半导体单片接收机的镜像选择性是没有的，阻带的抑制也是非常非常的小，生产商一般不敢给出选择性指标。 c）基带保真度，这个指标主要受接收机的动态范围、线性指标、接收机的通带宽度、接收机的通带平坦度、解调失真度有关。三大指标对接收机性能的影响：灵敏度高，接收机接收小信号的能力就强，但是灵敏度是不能无限做高的，因为电磁波噪声也布满了空间。要提高有效灵敏度，必须要有很好的选择性。中远距离无人机的无线接收机，应该有高频带通滤波器、一中频带通滤波器、二中频带通滤波器，低频带通滤波器。基带保真度越高，接收机接收到的解调信号与发射端信号的一致性就高，对于数字信号，还可以通过软件（纠错编码）来提高基带保真度。怎么提高接收机的性能？ 1）采用合适的滤波器。采用合适的滤波器，可以将噪声压制，提高信噪比。也可以防止噪声正反馈造成自激振荡。 2）不同频率的多级中频放大器。中频放大器频率过高，成本就高，中频放大器频率过低，就无法压制镜像干扰（集成单片接收机采用的都是低中频，所以做不出高性能），另外同频中频放大器增益太高会自激，应该采用异频（例如75MHz、10.7MHz）中放1和中放2.