Hvidbog om UAV-interferensteknologi baseret på VCO DDS og SDR-teknologi (1)

Oversigt

I de senere år har droneindustrien udviklet sig hurtigt, og anvendelsen af ​​droner er blevet stadig mere udbredt, hvor antallet af droner også viser en stigende tendens år for år. Samtidig udgør droner dog også alvorlige sikkerhedstrusler for forskellige steder i samfundet. I de senere år er der hyppigt forekommet hændelser med droner, der rammer og angriber kritisk infrastruktur, og der er et presserende behov for effektiveDrone-tællermåler teknologi. Der findes adskillige almindelige teknikker til modforanstaltninger mod droner, herunder:

• Trådløs signalinterferensteknologi: Ved at transmittere interfererende radiofrekvenssignaler forstyrrer den trådløse signaler såsom fjernbetjening, billedtransmission, navigation osv. fra ubemandede luftfartøjer med det formål at køre væk, forstyrre eller fremtvinge landing af droner.
• Trådløs signalbedragsteknologi: Ved at sende vildledende trådløse signaler til droner kan dronerne indhente forkerte oplysninger og derved opnå formålet med at kapre droner. Der er to hovedtyper af trådløse signalbedragsteknikker: lokationssignalbedrag og kapring af fjernbetjeningssignaler.
• Teknologi til rettet energidestruktion: Ved at udsende højenergilaser- eller elektromagnetiske signaler ødelægger den fysisk ubemandede luftfartøjer, primært gennem to tekniske ruter: laserdestruktion og højenergimikrobølgedestruktion.
• Fysisk skade/indfangningsteknologi: Ved at affyre kugler, krydsermissiler eller kollidere med droner kan invaderende droner blive fysisk beskadiget eller affyre fangstnet for at fange invaderende droner.

Denne artikel omhandler primært teknologi til trådløs signalinterferens.

UAV-kommunikationsprotokol

Droner bruger generelt følgende fire typer radiosignaler:

Figur 1 Typisk trådløs signaldiagram for et ubemandet luftfartøj

1. Fjernbetjening: FjernbetjeningCdentrdel：Transmission af instruktioner fra operatøren til dronen via fjernbetjeningssignaler, så dronen kan udføre tilsvarende flyvehandlinger;
2. Ijegdogdesmitte：Videosignalet, der optages af dronekameraet, transmitteres tilbage til fjernbetjeningen, og operatøren betjener dronen baseret på det transmitterede billedsignal for at vælge den passende flyvevej og undgå at ramme forhindringer;

N-enijegg-entjegden:Droner modtager positionssignaler fra navigationssatellitter til deres egen positionering

De observerede navigationssignaler omfatter GPS, Beidou, GLONASS osv., og de anvendte frekvensbånd er hovedsageligt fordelt omkring 1,2 GHz og 1,6 GHz.

3. Toglogmogtrog：Bruges til at distribuere telemetrioplysninger, såsom droners placering, som vil blive modtaget af fjernbetjeningen og nærliggende overvågningsstationer.

Blandt disse er fjernbetjeningssignaler og billedfeedbacksignaler de primære mål for modforanstaltninger mod radiofrekvensinterferens, og i nogle tilfælde kan de også forstyrre navigations- og positioneringssignaler. Når dronen forstyrres af fjernbetjeningssignaler, kan den ikke modtage instruktioner fra operatøren og vil udføre svævnings- eller returhandlinger. Når billedfeedbacksignalet forstyrres, kan fjernbetjeningen ikke vise det billede, som dronen ser, hvilket kan få dronen til at miste kontrollen. Når dronen forstyrres af både fjernbetjeningssignaler og navigationspositioneringssignaler, kan den ikke indhente nøjagtige positioneringsoplysninger og lander direkte, idet den er afhængig af ultralydssensorer for at undgå at røre jorden og svæve i en bestemt højde over jorden.

Følgende tabel viser nogle almindelige protokoller til fjernbetjening og billedtransmission til droner. Stærke producenter som DJI og AUTEL har udviklet dedikerede protokoller til billedtransmission til fjernbetjening, hvoraf DJIs OcuSync og LightBridge er de mest almindelige og yder bedst. For producenter, der ikke har egne protokoller til billedtransmission til fjernbetjening, vælges Wi-Fi-protokollen generelt. Til gør-det-selv FPV'er er ELRS-protokollen og TBSCrossFire blevet de egentlige standarder.

 OFDM teknologi introduktion

LightBridge, OcuSync、SkyLinkprotokol, ogWi-Fi, tKodningsteknologien i det fysiske lag anvender OFDM-teknologi. Dette afsnit vil kort introducere OFDM-teknologi.

OFDMtTeknologi er en multibærermodulationsmultipleksningsteknik, der bruger flere underbærere til at transmittere data samtidigt med lige store frekvensintervaller mellem hver underbærer. Selvom der er en vis spektral overlapning mellem tilstødende underbærere, er de ortogonale i forhold til hinanden, så de signaler, der transmitteres af hver underbærer, ikke påvirker hinanden. Dette gør det muligt at transmittere datainformation samtidigt på mange underbærere.

OFDMTeknologien er normalt baseret på digital signalbehandlingsteknologi, og den specifikke implementeringsproces er som følger: den datakilde, der skal moduleres, allokeres til N underbærere, hver underbærer IQ-moduleres, og derefter underkastes de IQ-modulerede data fra N underbærere en IFFT invers Fourier-transformation for at opnå tidsdomæne-IQ-dataene for et OFDM-symbol.

Figur 2 Oversigt over OFDM-modulationsteknologiprincippet

En komplet OFDM-ramme indeholder normalt flere OFDM-symboler, og varigheden af ​​OFDM-symbolerne er den reciprokke værdi af afstanden mellem underbærere. For eksempel, når afstanden mellem underbærere er 15 kHz, er længden af ​​OFDM-symbolet 66,67 µs. I begyndelsen af ​​hvert OFDM-symbol udvides og indsættes et kortere cyklisk præfiks (CP). Indholdet af CP'en er en kopi af indholdet i slutningen af ​​OFDM-symbolet. Formålet med at udvide CP'en er at modstå interferens mellem symboler forårsaget af dispersion.

Figur 3 OFDM-symboler og underbærere

OFDMMultiplexingteknologiens spektrumudnyttelseseffektivitet er meget høj. I frekvensdomænet består OFDM-signaler af mange underbærere, og energiallokeringen af ​​hver underbærer er relativt jævn, så spektret af OFDM-signaler er tæt på en flad, lige linje. I tidsdomænet består OFDM-signaler af flere symboler, hver med en fast længde.

Figur 4 OFDM-symboler og underbærere

 DjiLIGHTBRIDGE/OCUSYNC Protokol

DjiLysbroogOcuSyncProtokoller er de tekniske benchmarks for civile fjernbetjeningsprotokoller til billedtransmission. LightBridge-protokollen blev udviklet tidligere og anvendt på modeller som Phantom 3 og Inspire. OcuSync-protokollen blev udviklet relativt sent og anvendes på modeller som Phantom 4, Mavic-serien, Air-serien osv. OcuSync-protokollen er blevet iterativt opdateret, og den seneste version er OcuSync 4.0. OcuSync 4.0-protokollen har stærk transmissionsydelse og anti-interferensevne.

Figur 5 Tidsfrekvensdiagram for DJI OcuSync-protokollen

Lysbro&OcuSyncDet fysiske lag i protokollen er baseret på OFDM-kodningsteknologi, men de forskellige parametre for OFDM-kodning er forskellige. LightBridge-protokollen bruger et fysisk lag svarende til WiMAX, med en underbærerafstand på 10,9375 kHz. Downlink bruger 864 underbærere, der optager en båndbredde på cirka 9,46 MHz; OcuSync-protokollen bruger et fysisk lag svarende til LTE, med en underbærerafstand på 15 kHz. Downlink med 10 MB båndbredde bruger 600 underbærere, der optager en båndbredde på cirka 9,02 MHz, mens downlink med 20 MB båndbredde bruger 1200 underbærere, der optager en båndbredde på cirka 18,02 MHz.

 SKYLINK Protokol

Skylink-protokollen er også en almindelig fjernbetjeningsprotokol til billedtransmission. Skylink-protokollen bruges i vid udstrækning i Dao Tong EVO-serien af ​​droner.

Det fysiske lag i Skylink-protokollen er også baseret på OFDM-teknologi og optager en båndbredde på cirka 10 MHz og en subcarrier-afstand på 15 kHz.

Figur 6 Tidsfrekvensdiagram for SkyLink-protokollen

 Skylink-protokollen anvender et fysisk lag svarende til LTE, med en subcarrier-afstand på 15 kHz.

 Downlink (billedtransmissionssignal) bruger 600 underbærere, der optager en båndbredde på omkring 9,02 MHz, og uplink (fjernbetjeningssignal) bruger 72 underbærere, der optager en båndbredde på omkring 1,1 MHz.

 Wi-Fi protokol

Wi-Fi-Fi-kommunikationsteknologi er meget populær inden for forbrugerelektronik, og mange civile ubemandede luftfartøjer bruger Wi-Fi.-Fi-protokol til tranavngiv tingenote-kontrolsignaler og billedfeedbacksignaler. Wi-Fi-kommunikationsprotokollen har gennemgået mange års teknologisk iteration. Ud over den tidlige Wi-Fi-Fi 1 bruger DSSS spread spectrum, efterfølgende Wi-Fi bruger OFDM-teknologi med forskellige tekniske parametre såsom båndbredde.

Wi-Fi standard	Wi-Fi version	Standardudgivelse	Arbejdsfrekvens	Teknologi til genbrug af fysiske lag	Antal rumlige strømme	Iide-båndskanal	Ddisse satser
802.11	Wi-Fi1	1997	2,4 GHz	DSSS	1	20MHz	2 Mbps
802.11b	Wi-Fi1	1999	2,4 GHz	DSSS	1	20MHz	11 Mbps
802.11a	Wi-Fi2	1999	5GHz	OFDM	1	20MHz	54 Mbps
802,11 g	Wi-Fi3	2003	2,4 GHz	OFDM	1	20MHz	54 Mbps
802.11n	Wi-Fi4	2009	2,4 GHz, 5 GHz	MIMO-OFDM	Op til 4	20/40 MHz	Op til 600 Mbps
802.11ac	Wi-Fi5	2013	5GHz	MIMO-OFDM	Op til 8	20/40/80/160 MHz	Op til 3,47 Gbps
802.11ax	Wi-Fi6	2019	2,4 GHz, 5 GHz	OFDMA, MU-MIMO	Op til 8	20/40/80/160 MHz	Op til 9,6 Gbps
802.11be	Wi-Fi 7	2024	2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz	OFDMA, MU-MIMO	8	20/40/80/160/320 MHz	Op til 23 Gbps

Wi-Fi-systemet-Den anvendte Fi inden for droner er normalt 802.11n eller 802.11ac, da Wi-Fi-Fi-chips til disse to standarder er meget modne. Hvis vi tager 802.11n som eksempel, er der normalt to båndbreddetilstande til

Standarderne er meget modne. Hvis vi tager 802.11n som eksempel, er der normalt to båndbreddetilstande at vælge imellem, 20M og 40M, med en afstand mellem underbærere på 312,5 KHz. I 20M-tilstand er der 56 underbærere, og den faktiske optagede båndbredde er omkring 17,8 MHz. I 40M-tilstand er der 114 underbærere, og den faktiske optagede båndbredde er omkring 35,9 MHz.

Figur 7 Tidsfrekvensdiagram for Wi-Vær en protokol

 FPV ProtokolELRS/TBS

Fjernbetjeningsprotokollen og billedtransmissionsprotokollen for FPV er separate. Fjernbetjeningsprotokollen bruger normalt ELRS eller TBS Crossfire, mens billedtransmissionsprotokollen normalt simuleres for at opnå lavere latenstid.

ELRS, også kendt som ExpressLRS, er en open source fjernbetjeningsprotokol, der giver ultralav latenstid og længere fjernbetjeningsafstande. Det fysiske lag af ELRS anvender LoRA-protokollen og er implementeret baseret på SEMTECHs SX127x/SX1280-chips. ELRS anvender frekvenshopping og spread spectrum-teknologi, hvilket kan opnå stærk anti-interferensevne. Spread spectrumet af ELRS er baseret på chirp (lineær frekvensmodulation) spread spectrum-teknologi. Jo større spreading-faktoren er, desto højere er spreading gain, følsomhed og transmissionshastighed. Spreading-båndbredden for ELRS er 500 KHz, og spreading-faktoren er generelt valgt fra SF6 til SF9. Det fysiske lagkodning af TBS Crossfire ligner ELRS, begge bruger chirp (lineær frekvensmodulation) spread spectrum-teknologi, men spread spectrum-båndbredden er kun 250 KHz.

spredningsfaktor	Spread spectrum-kodelængde	Sspreading gain(dB）
SF6	64	5
SF7	128	7,5
SF8	256	10
SF9	512	12,5
SF10	1024	15
SF11	2048	17,5
SF12	4096	20

Figur 8 Tidsfrekvensdiagram for ELRS-protokollen