如何为无人飞行器（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任务在现代应用中并不罕见。 本文讨论了选择宽带调制解调器的标准和相关问题。 本文是为无人机和机器人技术开发人员撰写的。

选择标准

选择用于无人机或机器人技术的宽带调制解调器的主要标准是。

1. 通讯范围。
2. 最大数据速率。
3. 数据传输延迟。
4. 质量和整体参数。
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，无线电波的传播条件，外部干扰和其他原因。 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，我们考虑范围方程[Kalinin AI，Cherenkova EL 无线电波传播和无线电链路操作。 沟通交流 莫斯科 1971]

$$

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

在哪里
$$$R$ -所需的通讯范围（以米为单位）；
$$$F$ -以Hz为单位的频率；
$$$P_ {TXdBm}$ -调制解调器的发射功率，以dBm为单位；
$$$G_ {TXdB}$ -发射机天线增益，以dB为单位；
$$$L_ {TXdB}$ -从调制解调器到发射机天线的电缆损耗，以dB为单位；
$$$G_ {RXdB}$ -接收机天线增益，以dB为单位；
$$$L_ {RXdB}$ -从调制解调器到接收机天线的电缆损耗，以dB为单位；
$$$P_ {RXdBm}$ -调制解调器接收机的灵敏度，以dBm为单位；
$$$| V | _ {dB}$ -衰减因数，考虑到由于地球表面，植被，大气和其他以dB为单位的影响所造成的额外损耗。

从范围方程式可以看出，范围仅取决于调制解调器的两个参数：发射机功率 $$$P_ {TXdBm}$ 和接收器灵敏度 $$$P_ {RXdBm}$ 或更确切地说，是从两者之间的差异-调制解调器的能源预算

$$

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

距离方程中的其余参数描述了信号的传播条件和天线馈线设备的参数，即 与调制解调器无关。
因此，为了增加通信范围，有必要选择一个较大的调制解调器 $$$B_m$ 。 点击放大 $$$B_m$ 反过来，有可能通过增加 $$$P_ {TXdBm}$ 或减少 $$$P_ {RXdBm}$ 。 在大多数情况下，UAV开发人员正在寻找具有高发射功率的调制解调器，并且很少注意接收器的灵敏度，尽管您需要做的恰恰相反。 功能强大的宽带调制解调器车载发射器存在以下问题：

• 高功耗
• 需要冷却；
• 与无人机其他机载设备的电磁兼容性（EMC）下降；
• 低能量隐身。

前两个问题与以下事实有关：现代的空中传输大量信息的方法（例如OFDM）需要线性发射器。 现代线性无线电发射机的效率很低：10-30％。 因此，UAV电源的70-90％的宝贵能量被转换为热量，必须从调制解调器中有效地将其消除，因为否则在最不合时宜的时刻，过热将导致故障或输出功率下降。 例如，一个2 W的发射机将消耗6-20 W的电源，其中4-18 W将转换为热量。

无线电链路的能量保密对于特殊和军事应用很重要。 低隐身性意味着调制解调器信号很可能会被干扰站的侦察接收器检测到。 因此，抑制具有低能量隐身性的无线电链路的可能性也很大。

调制解调器接收机的灵敏度表征了其以给定质量等级从接收到的信号中提取信息的能力。 质量标准可能会有所不同。 对于数字通信系统，它们通常使用每位错误的概率（误码率-BER）或信息包中的错误概率（帧错误率-FER）。 实际上，此灵敏度是要从中提取信息的信号的电平。 例如，在BER = 10 ^-6时的-98 dBm灵敏度表示可以从具有-98 dBm电平的信号中提取具有这种BER的信息，例如，从具有该电平的信号中不再获得-99 dBm。 当然，随着信号电平的降低，质量的降低是逐渐发生的，但是应该记住，大多数现代调制解调器是所谓的固有的。 一个阈值效应，在此阈值效应会很快发生质量下降和信号电平下降到低于灵敏度的情况。 将信号降低到比灵敏度低1-2 dB就足够了，因此BER增加到10 ^-1 ，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有噪声通道的直接结果；无法消除。 当信号电平降低到低于灵敏度时，信息破坏是由于接收器自身内部产生的噪声的影响。 接收器的内部噪声无法完全消除，但可以降低其电平或学习如何从噪声信号中有效提取信息。 调制解调器制造商使用这两种方法，从而改进了接收器的射频单元并改进了数字信号处理算法。 提高调制解调器接收器的灵敏度不会导致发射器功率的增加而导致功耗和散热的急剧增加。 当然，能耗和发热量都有所增加，但这是相当适度的。

就实现所需的通信范围而言，建议使用以下调制解调器选择算法。

1. 确定数据传输速率的值。
2. 选择对所需速度具有最佳灵敏度的调制解调器。
3. 通过计算或在实验期间确定通信范围。
4. 如果通信范围小于必要范围，请尝试使用以下措施（按照优先级从高到低的顺序排列）：

• 减少天线电缆的损耗 $$$L_ {TXdB}$ ， $$$L_ {RXdB}$ 通过使用在工作频率下具有较低线性衰减的电缆和/或减少电缆的长度；
• 增加天线增益 $$$G_ {TXdB}$ ， $$$G_ {RXdB}$ ;
• 增加调制解调器发射器的功率。

敏感度值取决于规则的数据传输速率：较高的速度-较差的敏感度。 例如，对于8 Mbps的速度，灵敏度为-98 dBm优于对于12 Mbps的速度，灵敏度为-95 dBm。 您只能针对相同的数据速率通过灵敏度比较调制解调器。

在调制解调器的规格中，几乎总是可以找到有关发送器功率的数据，但是有关接收器灵敏度的数据却远非总是如此或音量不足。 至少，这是要保持警惕的原因，因为漂亮的数字很难掩盖。 另外，在没有发布敏感度数据的情况下，制造商剥夺了消费者购买调制解调器之前通过计算来估计通信范围的机会。

最大数据传输率

如果明确定义了速度要求，则为该参数选择调制解调器相对简单。 但是有一些细微差别。

如果要解决的问题需要确保最大可能的通信范围，同时可以为无线电链路选择足够宽的频带，那么最好选择支持宽频带（带宽）的调制解调器。 事实是，由于使用密集调制类型（16QAM，64QAM，256QAM等），可以在相对窄的频带内实现所需的信息速度；而由于使用低密度调制（BPSK，QPSK），可以在较宽的频带内实现所需的信息速度） 对于此类任务，最好使用低密度调制，因为它具有更高的抗噪能力。 因此，接收器的灵敏度更好，分别增加了调制解调器的能量预算，并因此增加了通信范围。

有时，UAV制造商将无线电链路的信息速度设置为远大于源速度，实际上是设置两倍或更多倍，理由是像视频编解码器之类的源具有可变的比特率，并且在选择调制解调器速度时应考虑最大的比特率发射。 当然，这种情况下的通信范围会减小。 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送器中都有一个宽敞的缓冲区，可以平滑比特率的发射而不会丢失数据包。 因此，不需要大于25％的速度裕度。 如果有理由认为所购买的调制解调器中的缓冲区容量不足，并且需要大幅提高速度，那么最好拒绝购买这种调制解调器。

资料延迟

在评估此参数时，将与通过无线电链路进行数据传输相关的延迟与由信息源的编码/解码设备（例如，视频编解码器）创建的延迟分开是很重要的。 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的信号处理而导致的延迟。
2. 由于信号从发射机传播到接收机而造成的延迟。
3. 由于时分双工（TDD）中发射机中的数据缓冲而导致的延迟。

根据作者的经验，类型1的延迟范围从几十微秒到一毫秒。 类型2的延迟取决于通信范围，例如，对于100 km链路，它等于333μs。 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，并且可以在0至帧持续时间之间变化，即，它是随机变量。 如果在调制解调器处于发送周期时发送的信息包在发送器的输入端，则该包将以类型3的零延迟进行广播。如果该包有点晚并且接收周期已经开始，则它将在发送器缓冲区中延迟整个接收周期。 。 典型的TDD帧长度分别为2到20 ms，在最坏的情况下，第3类延迟不会超过20 ms。 因此，无线电链路中的总延迟将在3-21毫秒内。

知道无线电链路中延迟的最好方法是使用实​​用程序评估网络性能的全面实验。 不建议使用请求-响应方法来测量延迟，因为前向和反向的延迟可能与TDD调制解调器不同。

质量和整体参数

通过该标准选择机载调制解调器单元不需要特别说明：越小越轻越好。 不要忘记需要冷却机载单元，可能分别需要额外的散热器，重量和尺寸也会增加。 在此，应优先考虑功耗低的轻巧小块。

对于接地块，质量尺寸参数不是那么关键。 易于使用和安装非常重要。 接地单元应该是通过在桅杆或三脚架上的便捷安装系统可靠地保护免受外部影响的设备。 当接地单元与天线集成在一个外壳中时，这是一个不错的选择。 理想情况下，接地单元应通过一个方便的连接器连接至控制系统。 当您需要在-20度的温度下进行部署工作时，这将使您免于言语。

营养要求

通常，机载设备是在支持广泛的电源电压（例如7–30 V）的情况下生产的，该电源电压涵盖了UAV电网中的大多数电压选项。 如果可以选择多个电源电压，则优先选择最低的电源电压值。 通常，调制解调器的内部电源是通过辅助电源从3.3和5.0 V电压产生的。 这些二次电源的效率越高，调制解调器的输入电压和内部电压之间的差异就越小。 提高效率意味着减少能耗和散热。

相反，地面单元必须支持来自相对较高电压的电源。 这使得可以使用横截面较小的电源线，从而减轻了重量并简化了安装。 在其他条件相同的情况下，优先选择支持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接地单元连接到控制站。

独立的控制/遥测通道

在无人飞行器上没有空间安装单独的命令遥测调制解调器的情况下，这是一个重要的机会。 如果有空间，则宽带调制解调器的单独控制/遥测通道可以用作备份。 在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UAV（MAVLink或专有）进行通信所需的协议，并可能将控制/遥测通道的数据复用到地面站（NS）上的便捷接口中。 例如，宽带调制解调器的机载单元通过RS232，UART或CAN等接口连接到自动驾驶仪，而地面单元通过以太网接口连接到控制计算机，通过该以太网接口需要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遥测流。

其他参数要注意

双工模式的存在。 UAV的宽带调制解调器支持单工或双工操作模式。 在单工模式下，数据只能在从UAV到NS的方向上传输，而只能在双工-双向上传输。 通常，单工调制解调器具有内置的视频编解码器，并且可以与不具有视频编解码器的摄像机一起使用。 单工调制解调器不适用于连接到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设计为将无人机的机载IP网络连接到NS IP网络，也就是说，它支持IP摄像机和其他IP设备，但可能没有内置视频编解码器，因为IP摄像机通常具有您的视频编解码器。 以太网支持仅在双工调制解调器上可用。

分集接收（RX分集）。 此功能的存在对于确保在整个飞行距离上进行连续通信是必要的。 当在地球表面上方传播时，无线电波会以两种射线到达接收点：沿着直接路径，并从表面反射。 如果两个光线的波相加，则在接收点处的场会放大，而在反相时会减弱。 弱点可能非常显着-直至完全失去沟通。 位于不同高度的两个天线在NS上的存在有助于解决此问题，因为如果在一个天线的位置以相反的方向添加光线，则在另一个天线的位置添加光线-不。 因此，您可以在整个距离上实现稳定的连接。

支持的网络拓扑。 建议选择一种调制解调器，该调制解调器不仅支持点对点（PTP）拓扑，而且还支持点对多点（PMP）拓扑和中继（中继，中继器）拓扑。 通过附加的无人机使用中继可以大大扩展主无人机的覆盖范围。 PMP支持将允许同时从一个NS上的多个UAV接收信息。 还请注意，与一台UAV进行通信相比，支持PMP和中继将需要增加调制解调器带宽。 因此，建议您为这些模式选择一个支持宽频带（至少15–20 MHz）的调制解调器。

防噪声增强器的可用性。 考虑到在使用无人机的地方的紧张干扰情况，这是一个有用的选项。 通过抗干扰性，我们了解了通信系统中存在人为或自然起源干扰时通信系统执行其功能的能力。 有两种处理干扰的方法。 方法1：设计调制解调器接收器，以便即使在通信信道的频带中存在干扰也可以放心地接收信息，但需要降低信息传输速率。 方法2：抑制或减少接收器输入端的干扰。 第一种方法的实现示例是频谱扩展系统，即：跳频（FH），具有伪随机序列的频谱扩展（DSSS）或它们的混合。 由于在这样的通信信道中所需数据速率的小尺寸，FH技术已经在UAV控制信道中变得广泛。 例如，对于20 MHz频段中16 kbit / s的速度，可以安排大约500个频率位置，这使您能够可靠地保护自己免受窄带干扰。由于所产生的频带太大，将FH用于宽带信道是有问题的。例如，在使用带宽为4 MHz的信号时要获得500个频率位置，您需要2 GHz的空闲频带！太不现实了。将DSSS用于具有UAV的宽带通信信道更为重要。在此技术中，每个信息位在信号频带中的几个（或什至全部）频率上同时复制，并且在存在窄带干扰的情况下，可以从不受干扰影响的部分频谱中提取信息。 DSSS以及FH的使用意味着如果在信道中发生干扰，则将需要降低数据传输速率。但是，很明显，以较低的分辨率接收来自无人机的视频总比没有接收要好。方法2使用事实与接收器的内部噪声不同，该干扰从外部进入无线电链路，并且如果调制解调器中有某些装置，则可以将其抑制。如果干扰抑制位于频谱，时间或空间区域，则是可能的。例如，窄带干扰位于频谱区域中，可以使用特殊的滤波器将其从频谱中“切除”。类似地，脉冲噪声位于时域中，为了抑制它，从接收器的输入信号中去除了受影响的区域。如果干扰不是窄带或脉冲干扰，则可以使用空间抑制器对其进行抑制，因为干扰会从某个方向从源进入接收天线。如果在朝向干扰源的方向上放置接收天线的零辐射方向图，那么干扰将被抑制。这种系统称为自适应波束形成和波束归零系统。尽管没有什么可以阻止此类系统在未来出现，但这种系统并未用于作者所熟知的宽带调制解调器中。

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）或专有的无线电协议。此参数很少在规格中指出。 DVB-T的使用由支持的2/4/6/7/8频段（有时为10 MHz）间接指示，并且在COFDM（编码OFDM）技术规范的文本中提到，其中OFDM与纠错编码结合使用。在此过程中，我们注意到COFDM只是一个广告口号，与OFDM相比没有任何优势，因为在没有抗噪编码的情况下，OFDM实际上从未应用。当您在无线电调制解调器的规范中看到这些缩写时，请在COFDM和OFDM之间进行均衡。

使用标准协议的调制解调器通常基于与微处理器配合工作的专用芯片（WiFi，DVB-T）构建。使用专用芯片可以减轻制造商的头痛，这与开发，建模，实施和测试自己的无线电协议有关。微处理器用于为调制解调器提供必要的功能。这样的调制解调器具有以下优点。

1. 价格低廉
2. 良好的整体尺寸。
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. 从长远来看，供应稳定性低。
3. 在解决非标准任务方面提供合格技术支持的能力有限。

电源的低稳定性是由于芯片制造商主要面向大众市场（电视，计算机等）。无人机调制解调器制造商并不是他们的优先考虑，他们不能以任何方式影响芯片制造商停止生产而没有适当替换另一种产品的决定。通过将无线电接口封装到“片上系统”类型的专用微电路（片上系统-SoC）中的趋势，该特性得到了增强，并且在这方面，无线电接口的各个芯片正逐渐从半导体市场上淘汰。

提供技术支持的机会有限，是由于基于标准无线电协议的调制解调器的开发团队配备了精通电子和微波技术的专家。无线电专家可能根本不在那儿，因为他们没有需要解决的问题。因此，寻求非平凡无线电通信任务解决方案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。这种芯片的供应稳定性非常高。是的，价格也很高。这样的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. 无线电接口的其他功能，在UAV中很有趣，而在基于标准无线电协议的调制解调器中却没有。
3. 供应稳定，包括 从长远来看。
4. 高水平的技术支持，包括非标准任务。

缺点。

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

某些用于无人机的调制解调器的技术数据

该表显示了市场上用于无人机的某些调制解调器的技术参数。

请注意，尽管与Picoradio OEM和J11调制解调器相比，3D Link调制解调器具有最低的发射器功率（25 dBm对27-30 dBm），但由于接收器的高灵敏度（在比较的调制解调器具有相同的数据传输率）。因此，使用3D Link时的通信范围将更长，并且能量隐身性更好。

表。某些用于无人机和机器人技术的宽带调制解调器的技术数据

* n / a-无数据。