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2020-8-14

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第三个问题:为什么频段是2.4G和5.8G? 上次大家注意到没有,无人机的发射功率EIRP有两个频段2.4G和5.8G。这两个频段有什么区别,各自的优缺点是什么,怎么选择? 通常无人机使用的频段都是公共开放的频段(无委会对各个频段的应用做了划分),当然公共频段有很多,如433M,900M,2.4G,5.8G等等,大家都可以使用,但要控制发射功率,也就是每个设备有最大地盘限制,不能无限大,不能把所有人的地盘都占为己有。另外,同一频段内还可以存在多种不同协议的设备,比如2.4G频段,可以有zigbee,BT,WiFi AP等设备。BT的有效范围十米左右,WiFi AP(路由器)的范围百八十米左右,ZigBee则是极低数据量传输,间歇式工作。现在我们不得不面对一个问题,就是随着无线设备的普及,即使控制了设备的发射功率,同一地盘内,还是出现了很多同频设备,导致地盘严重重合。你的信号,对你是有用的,但对别人来说就是无用的,相当于产生了干扰,影响到别人信号的传输。同理,别人的设备也影响你的设备信号传输。为什么无人机在市区飞的近,在郊区或野外飞的远,这是重要的原因之一。 为什么选择2.4G和5.8G? 在这之前,先讨论一下无人机系统上行链路和下行链路传输的内容,上行链路(遥控器到无人机)的信息主要是一些控制信号,以便无人机按照操作者意图飞行,这条链路上传递的信息量相对较少,估计几百k每秒;下行链路(无人机到遥控器)的信息,除了位置信息,飞行状态信息等,最关键的是图像信息,前半部分的信息不大,但图像信息是巨大的,即使采用低分辨率并进行高度压缩,也有几兆到十几兆每秒。如果无线频带不够宽,就很难流畅的显示回传图像。通常载频越高,协议规定的频带会越宽,所以带图传的无人机基本不会使用1GHz以下的频率,但不需要图传的无人机可选择的频率相对多些。 中国2.4G和5.8G频段:2.412 ~ 2.472 GHz 13个信道;5.725 ~ 5.825 GHz 4个信道。 由上图可见,规划的信道带宽为22M,但实际每个信道的间隔为5M,也就是说相邻信道有频带重合,必然会影响信号传输。如果大家同时使用同一信道,并且距离不远,那传输速率就可想而知了。假如三个无人机爱好者一起去玩,体验最不好的就是使用同一信道,次之是使用相邻信道,如果想互不影响,可以选1,6,11信道。5.8G的信道是相互独立的,每个信道20MHz,不存在频带重合。 2.4G和5.8G频率自身有什么特性? 电磁波具有波粒二象性,频率越高,粒子特性越明显,越像光;频率越低,波的特性越明显,越像声波。频率越高,绕射衍射的能力越差,同时也更容易衰减,所以说5.8G的绕射能力相对2.4G就差了。如果无人机和遥控器之间有建筑,山体等遮挡,信号基本就很难传过来了。比如2.4G有一定的绕射能力,同时穿墙能力较强,一堵墙没什么问题,再多几堵,衰减就很大了。再比如雨雪天气,对5.8G的影响会比2.4G大一点点。 频段不同对天线有什么影响? 终于说到正题上了,讲了两天和天线没什么直接关系的内容,但又不得不讲。频率是天线设计时第一个需要考虑的因素,频率对天线最大的影响就是体积。以定向天线举例,相同增益情况下,频率越低,天线体积越大。比如定向2.4G天线7dBi,体积大小为65*65*5mm;定向5.8G天线7dBi,体积大小40*40*5mm。同一频率下,如果想增益变高,天线的体积也会变大,5.8G的体积为65*65*5mm,增益可以为12dBi左右。 另外,频宽也很重要,频带越宽,天线体积也会大些,设计难度会大一些,但只要满足相应的公共开放频段即可,如果是2.4G,只要包含2.4G~2.4835GHz,如果是5.8G,国内就要包含5.725G~5.85G。如果只是针对无人机的应用,在频带太宽也没什么用,但天线的频带太窄,那就会影响到信道的使用。 总结起来,非图传无人机比如航模,可以选择一些较低的频段,绕射能力强,传输距离远;图传无人机最好选择高信道带宽的2.4G和5.8G,这两个用哪个频段,主要看周围的自然环境和相应频道的使用情况,避免干扰源;然后根据实际需求情况,安装合适体积的天线。 ------------未完待续

2020-6-18

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第二个要讨论的问题—无人机增程的途径 既然说到增程,就不可避免简单讨论一下无人机的无线系统(本人没有设计过无人机,可能存在偏颇之处)。 这种无线系统存在两个链路,上行链路和下行链路。 假定上行链路:遥控器到无人机,这个过程是:发射功率(遥控器端)天线(遥控器端)空间距离衰减天线(无人机端)接收信号灵敏度(无人机端); 假定下行链路:无人机到遥控器,这个过程:发射功率(无人机端)天线(无人机端)空间距离衰减天线(遥控器端)接收信号灵敏度(遥控器端)。 发射功率和接收信号灵敏度是设备自身设计好的,可调整空间很小。比如增加发射功率,你就要考虑电池能耗和是否满足无线电发射功率要求(FCC/CE/SRRC)等。 这是有国家标准的,如果超出,那就要小心了。当然假如发射功率是26dBm,那就比20dBm信号传的远。比如提高接收信号灵敏度,那就更困难了,因为涉及的器件更多。通常在考虑价格合理的情况下,厂家都会选择灵敏度高的器件。 还有两个重要的方法是调整遥控器端天线和无人机端天线。天线本身是一个无源被动元件,也就是说对信号的功率没有放大作用,不像放大器那样可以把能量放大,但天线却可以进行信号空间放大。是不是有点绕?先讲一下被动元件是什么意思,比如你给天线输入1瓦能量,他能辐射出去多少?必然少于1W,其他的能量哪儿去了,一部分返回到发射机,一部分被消耗。常见的被动元件就是电阻,电容,电感,其实天线在某一频率下,就可以分解成它们。再讲一下空间信号放大,就是指在某些特定角度或角度范围内,信号增强了,所以实现了空间信号放大了。两个综合起来讲,由于某些方向信号增强了,其他方向信号自然就减弱了,总体能量不变(其实是少了点)。 这好比家用的电灯泡(白炽灯),挂在屋子,让光在屋子内均匀分布。由于照在屋顶上的光没什么用,就增加了灯罩,其结果是屋顶上的光变暗了,屋子其他地方变亮了,相对于均匀分布,地面的光增强了(空间信号放大)。如果把灯罩再进行改进,最后就变成了探照灯,只有一个角度有强光。灯泡还是那个灯泡,空间角度亮度却变化很大(天线的增益,指的就是某个方向角上的放大能力)。100W的白炽灯有多少能量转换成光能,很可惜只有百分之几,其他多数的能量就被消耗掉变成热能。如果换成LED灯,转换率就高很多了。灯是将电能转换成光,天线是将电能转换成电磁波,可以说有些类似。 先说:无人机端天线增益。因为其是活动平台,正常而言,期望天线的增益是各个方向是均匀的(全向天线)。作为活动平台,时高时低,时左时右,时前时后,如果天线存在特别明显的方向性,就会导致信号传输十分不稳定,造成很多麻烦。当然,如果无人机只往高处飞(相对于遥控器),不往低处飞,无人机端的天线就可以做成有点方向性的,提高向下辐射的增益,进而实现增程。通常,不建议更改无人机端的天线,是因为天线是飞行器的一部分,如果更改是否会影响到无人机的预定飞行平衡状态? 再说:遥控器端天线增益。遥控器掌握在操作者的手中,天线的方向相对可控,只要将遥控器天线的增益指向与无人机一致即可(增益的大小决定了对准精度);即使天线大一点重一些,不影响无人机的飞行状态,只可能导致操作有点不便。 除此之外是否还有其他途径呢?采用分集天线系统,采用多通道系统,更好的编解码?这些不在普通改装的范围内,是设备设计者需要考虑的事情,我就不多讲了。 除了以上硬件改造,还有什么和增程有关?简单讲讲客观环境吧,比如电磁干扰,在城市中无线设备较多,电磁干扰较大,最后导致接收信号灵敏度下降;比如雨天雾天,多云天气,就会导致无线电在自由空间传输衰减增大,进而影响飞行距离。这些情况只能具体情况具体分析,我也不多讲了。 总而言之,常见的增程改造途径: 1, 调整发射功率。基本不可调,专业人士可尝试。 2, 无人机端天线。特别应用场景是可以的,提前做好分析。 3, 遥控器端天线。可调整空间大,但需要注意正确选择天线和使用方法。 4, 接收灵敏度。基本不可调,专业人士可尝试。 ------未完待续

2020-6-17

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