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扩频通信在航模和无人机遥控器中的应用

扩频通信在航模和无人机遥控器中的应用  

       深圳市乐迪电子-----谢波  

 

  对于航模遥控器模友最大的关注可能是抗干扰了,这也是厂家面临的挑战。各国给航模遥控器分配的频率资源多在27MHz,35MHz,40MHz,72MHz;每个频段带宽仅1MHz.,且各个国家规定不同。2.4G波段是开放波段,全球通用,且带宽达83.5MHz,上游芯片资源较为丰富,于是厂家基本把遥控器的频率选在2.4G波段。 

 

  由于2.4G是开放波段,无需授权,全球通用,此波段有wifi,蓝牙,无绳电话,zigbee等各类设备。走在街头拿出手机搜索一下wifi信号,能发现整个波段都挤满了信号。在如此拥挤的波段和恶劣环境下要确保不失控,通信技术至关重要。抗干扰是衡量一款遥控器好坏的第一指标。目前的抗干扰技术为扩频通信。 

 

  在介绍扩频通信前先介绍一下常规通信。无线通信就是要把我们想传递的信息如声音图像加载到更高的频率通过天线传递出去,为什么不直接将信息无线传递而要用高频载波,是因为要传递的信息如声音只有不到20KHz的频率,频率越低波长越长,对应发射天线就越长,像20KHz频率波长为15000米,其发射天线将是巨塔。所以我们将声音信号加载到更高频率上,称作调制,以FM收音机为列,将像声音(几十KHz)这样需要传递的信号称作为基带,将其加载的载波频率如89.8MHz称为频带。调制常规为调幅(AM),载波幅度随基带信号幅度大小同步变化,如AM收音机和无线电视机;调频(FM),其载波频率随基带信号幅度大小改变,如FM收音机,72MHz PPM航模遥控器;调相(PM),载波相位随基带幅度大小变化而改变。数字信号将实际人能感受到的连续信号编码成计算机能识别的0,1二进制,像早期72MHz出现过PCM调制遥控器;当基带信号是数字时对应AM、FM、PM分别称作为ASK,FSK,PSK。无调制时载波在频谱上是单频点,有调制时的频带将是连续频率的频谱,这个连续频率宽度称之带宽,带宽由基带信号宽度和调制方式决定。

下面给出几种调制方框图 :

 

 

 

  扩频通信,顾名思义是扩展频谱,其方法是让信息扩散到更广阔的频谱上。常用的扩频技术有直接序列扩频(DSSS)和跳频扩频(FHSS)。直接序列扩频可以抗同频干扰,跳频扩频是避干扰。扩频通信都是数字调制;

下面分别介绍:  

直接序列扩频。是在常规中载加了一个扩频调制,用速率更高的伪随机码和基带信号通过相乘将基带信号速率拓宽后再去调制载波。通过扩展基带信号速率来扩展频带频谱的最佳调制方式是PSK。CYPRESS 的CYRF6936信号调制为FSK调制,TI的CC2533为QPSK(PSK的一种)调制 

如TI CC2533就是调制2.4G载波相位,基带信息速率是250kbps,与伪随机码相乘后扩展到2Mbps,响应在频带上体现的带宽>2MHz约4MHz。发射端扩展了频谱后信息分布变广。

其抗干扰性体现在以下3个方面:  

     A.降干扰 通过扩展频谱将单频率点高功率干扰信号分解扩散,干扰功率谱密度大大下降,将强干扰转换成弱干扰。  

     B.噪声中解码 发射和接收使用同样的伪随机码,接收端会将非本机发射的干扰信号扩展降低其在单个频点上的信号强度,而对本机信号即使部分频谱收到严重干扰不能解调则利用相关性也可以恢复,即所谓在噪声中接收信号。 

     C.抗多径干扰 接收机收到的信号除了直接来自发射,还有通过地面,墙体反射过来,多种信号叠加就会造成干扰,也就是我们常说空中距离大于地面距离,空中反射小的缘故。DSSS直接扩技术不仅不受此干扰,反而利用反射过来信号增强接收。 

 

DSSS不仅抗干扰且由于功率谱密度低,对其他设备干扰小,同频容纳多个设备通信,增加了通信设备数量,对遥控器而言可以允许更多人同时同场地使用。

 

  以下为DSSS基带数据扩展解扩示意图 

  以下为DSSS频带信号示意图 

 

  跳频扩频,通过不停的改变载波使载波均匀布满整个波段来实现频谱扩展,跳频信道数不低于15,跳频序列符合类似噪声的随机数跳频,如按固定序列跳频则不能称之为FHSS。跳频实现了避干扰。DSSS需要芯片的支持,而FHSS依赖的是通信软件算法。

 其抗干扰性体现在如下三个方面:  

     A.避干扰 干扰往往只占用部分带宽,假如跳频频率点覆盖全波段总有不被干扰的频道,可以保证部分数据包不丢失。 

     B.抗多径干扰 当反射信号到达接收机是经过了延时,而此时信道已经切换,避开了同信道叠加,实现抗多径干扰。  

     C.容纳更多用户 通过跳频序列的多样性减少不同遥控器之间的信道碰撞。因为遥控为单向通信,遥控没有接收机信息反馈,无法做自适应同步更换信道。通过设计低碰撞跳频序列来减少不同发射之间的碰撞。 

     D.扩频增益 如果符合跳频序列符合随机数特征,将会获得比定频或固定序列跳频更远的传输距离。  

 

跳频设计最关键为跳频序列,其要求如下: 

     A.伪噪声特征 符合噪声序列的跳频具有各方面最佳性能,但真正的噪声是不可知无法利用来同步发射和接收,制作一个尽量像噪声的序列既有噪声特性有可知可利用,称之为伪噪声。 伪噪声随机性也难于截获和破解,保密性强。 

     B.防死锁 如果序列是规律的,就可能出现两台设备一旦发生碰撞接下来就会发生连续碰撞,造成死锁而无法通信 

     C.低碰撞 如果序列太接近,即使不发生死锁,也会造成高的碰撞率,丢包率过高造成遥控延迟。  

     D.宽覆盖 跳频频率需要覆盖全波段,如果太过集中,遇到和其重叠的宽带干扰,就会有全军覆没的风险。 

     E.均匀性 跳频不能集中在少数频道上,要让每个信道均匀出现,实现最大避干扰。 

     F.自相关通信恢复 2.4G是视距传输,直线传播,一旦被阻隔或遇到干扰将通信中断,当干扰消除时接收机需要立即恢复信号接收。而此时遥控器和接收各自按自己的序列跳频如何同步,就需要发射和接收的序列具有相关性。 

 

跳频序列没有固定模型可用,根据信道数,序列周期,序列数量,互相关性,信号中断恢复时间,最大用户数等数据有关。是一种离散数学计算,最好的设计来自数学。  

                                    FHSS跳频序列示意图 

 

 直扩(DSSSS)抗干扰,但一旦遇到某个强功率谱信道依然会造成解码失败。跳扩(FHSS)不能抗干扰但可以避干扰,将两者结合构成混合扩频技术可实现最佳抗干扰。当然技术发展无上限,现今手机4G采用的ODFM技术实现了同样频率带宽更大信息传递,待到OFDM芯片成本下降,今后遥控必定会采用ODFM技术。 

以下为采用TI CC2533设计的DSSS/FHSS混合扩频技术频谱,采用泰克DPX实时频谱捕获的频谱 

 

以下为GFSK普通无扩频频谱