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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.

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