Libro bianco sulla tecnologia di interferenza UAV basata sulla tecnologia VCO DDS e SDR (1)

Panoramica

Negli ultimi anni, il settore dei droni si è sviluppato rapidamente e il loro utilizzo è diventato sempre più diffuso, con un numero di droni che mostra un trend in aumento di anno in anno. Tuttavia, allo stesso tempo, i droni rappresentano anche gravi minacce per la sicurezza in diversi ambiti della società. Negli ultimi anni, si sono verificati frequentemente incidenti con droni che hanno colpito e attaccato infrastrutture critiche, e vi è un'urgente necessità di misure efficaci.Contatore di droniTecnologia di misura. Esistono diverse tecniche comuni di contromisura per i droni, tra cui:

• Tecnologia di interferenza del segnale wireless: trasmettendo segnali di radiofrequenza di interferenza, interferisce con i segnali wireless come quelli di controllo remoto, trasmissione di immagini, navigazione, ecc. dei veicoli aerei senza pilota, allo scopo di allontanare, interferire o forzare l'atterraggio del drone.
• Tecnologia di inganno del segnale wireless: trasmettendo segnali wireless ingannevoli ai droni, questi ultimi possono ottenere informazioni errate, raggiungendo così lo scopo di dirottarli. Esistono due tipi principali di tecniche di inganno del segnale wireless: l'inganno del segnale di localizzazione e il dirottamento del segnale del telecomando.
• Tecnologia di distruzione energetica diretta: mediante l'emissione di segnali laser o elettromagnetici ad alta energia, distrugge fisicamente i velivoli senza pilota, principalmente attraverso due metodi tecnici: distruzione laser e distruzione a microonde ad alta energia.
• Tecnologia di cattura/danno fisico: lanciando proiettili, missili da crociera o entrando in collisione con droni, è possibile danneggiare fisicamente i droni invasori oppure sparare reti di cattura per catturarli.

Questo articolo tratta principalmente della tecnologia delle interferenze dei segnali wireless.

Protocollo di comunicazione UAV

I droni utilizzano generalmente i seguenti quattro tipi di segnali radio:

Figura 1 Schema tipico del segnale wireless di un veicolo aereo senza pilota

1. RC: telecomandoCILNTRILl：Trasmissione di istruzioni dall'operatore al drone tramite segnali di controllo remoto, consentendo al drone di eseguire le corrispondenti azioni di volo;
2. InioDEILtrasmissione：Il segnale video catturato dalla telecamera del drone viene ritrasmesso al telecomando e l'operatore aziona il drone in base al segnale dell'immagine trasmesso per selezionare la traiettoria di volo appropriata ed evitare di colpire ostacoli;

NUNInioGUNTioILN:I droni ricevono segnali di posizionamento dai satelliti di navigazione per il proprio posizionamento

I segnali di navigazione rilevati includono GPS, Beidou, GLONASS, ecc. e le bande di frequenza operative sono distribuite principalmente attorno a 1,2 GHz e 1,6 GHz.

3. TElEMETRE：Utilizzato per distribuire informazioni di telemetria, come la posizione dei droni, che verranno ricevute dal telecomando e dalle stazioni di monitoraggio vicine.

Tra questi, i segnali del telecomando e i segnali di feedback dell'immagine sono i principali obiettivi delle contromisure alle interferenze radio e, in alcuni casi, possono interferire anche con i segnali di navigazione e posizionamento. Quando interferisce con i segnali del telecomando, il drone non può ricevere istruzioni dall'operatore ed eseguirà azioni di hovering o di ritorno; Quando interferisce con il segnale di feedback dell'immagine, il telecomando non può visualizzare l'immagine vista dal drone, il che potrebbe causarne la perdita di controllo; Quando interferisce sia con i segnali del telecomando che con i segnali di navigazione e posizionamento, il drone non può ottenere informazioni di posizionamento accurate e atterra direttamente, affidandosi ai sensori a ultrasuoni per evitare di toccare il suolo e rimanere in hovering a una certa altezza dal suolo.

La tabella seguente elenca alcuni protocolli comuni per il controllo remoto e la trasmissione delle immagini dei droni. Produttori affermati come DJI e AUTEL hanno sviluppato protocolli dedicati per la trasmissione delle immagini per il controllo remoto, tra cui OcuSync e LightBridge di DJI sono i più diffusi e performanti. Per i produttori che non dispongono di protocolli di trasmissione delle immagini per il controllo remoto sviluppati internamente, si preferisce generalmente il protocollo Wi-Fi. Per i droni FPV fai da te, i protocolli ELRS e TBSCrossFire sono diventati gli standard attuali.

 OFDM introduzione alla tecnologia

LightBridge e OcuSync,SkyLinkprotocollo eWifi, TLa tecnologia di codifica del suo livello fisico adotta la tecnologia OFDM. Questa sezione presenterà brevemente la tecnologia OFDM.

OFDMTLa tecnologia è una tecnica di multiplexing a modulazione multiportante che utilizza più sottoportanti per trasmettere dati simultaneamente, con intervalli di frequenza uguali tra ciascuna sottoportante. Sebbene vi sia una certa sovrapposizione spettrale tra sottoportanti adiacenti, queste sono ortogonali tra loro, quindi i segnali trasmessi da ciascuna sottoportante non si influenzano a vicenda. Ciò consente la trasmissione simultanea di informazioni su più sottoportanti.

OFDMLa tecnologia si basa solitamente sulla tecnologia di elaborazione del segnale digitale e il processo di implementazione specifico è il seguente: la sorgente dati da modulare viene assegnata a N sottoportanti, ciascuna sottoportante viene modulata IQ e quindi i dati modulati IQ di N sottoportanti vengono sottoposti alla trasformata di Fourier inversa IFFT per ottenere i dati IQ del dominio del tempo di un simbolo OFDM.

Figura 2 Panoramica del principio della tecnologia di modulazione OFDM

Un frame OFDM completo contiene solitamente diversi simboli OFDM, la cui durata è il reciproco della spaziatura delle sottoportanti. Ad esempio, quando la spaziatura delle sottoportanti è 15 kHz, la lunghezza del simbolo OFDM è 66,67 µs. All'inizio di ogni simbolo OFDM, viene esteso e inserito un prefisso ciclico (CP) più breve. Il contenuto del CP è una copia del contenuto alla fine del simbolo OFDM. Lo scopo dell'estensione del CP è quello di resistere alle interferenze tra simboli causate dalla dispersione.

Figura 3 Simboli OFDM e sottoportanti

OFDML'efficienza di utilizzo dello spettro della tecnologia multiplexing è molto elevata. Nel dominio della frequenza, i segnali OFDM sono costituiti da numerose sottoportanti e l'allocazione dell'energia di ciascuna sottoportante è relativamente uniforme, quindi lo spettro dei segnali OFDM è prossimo a una linea retta piatta. Nel dominio del tempo, i segnali OFDM sono costituiti da diversi simboli, ciascuno di lunghezza fissa.

Figura 4 Simboli OFDM e sottoportanti

 DjiLIGHTBRIDGE/OCUSYNC Protocollo

DjiPonte di luceEOcuSyncI protocolli OcuSync sono i punti di riferimento tecnici per i protocolli di controllo remoto per la trasmissione di immagini in ambito civile, con il protocollo LightBridge sviluppato in precedenza e applicato a modelli come Phantom 3 e Inspire; il protocollo OcuSync è stato sviluppato relativamente tardi e viene applicato a modelli come Phantom 4, serie Mavic, serie Air, ecc. Il protocollo OcuSync è stato aggiornato ripetutamente e la sua versione più recente è OcuSync 4.0. Il protocollo OcuSync 4.0 offre elevate prestazioni di trasmissione e capacità anti-interferenza.

Figura 5 Diagramma della frequenza temporale del protocollo DJI OcuSync

Ponte di luceeOcuSyncIl livello fisico del protocollo si basa sulla tecnologia di codifica OFDM, ma i vari parametri di codifica OFDM sono diversi. Il protocollo LightBridge utilizza un livello fisico simile al WiMAX, con una spaziatura delle sottoportanti di 10,9375 kHz. Il downlink utilizza 864 sottoportanti, occupando una larghezza di banda di circa 9,46 MHz; il protocollo OcuSync utilizza un livello fisico simile all'LTE, con una spaziatura delle sottoportanti di 15 kHz. Il downlink con larghezza di banda di 10 M utilizza 600 sottoportanti, occupando una larghezza di banda di circa 9,02 MHz, mentre il downlink con larghezza di banda di 20 M utilizza 1200 sottoportanti, occupando una larghezza di banda di circa 18,02 MHz.

 SKYLINK Protocollo

Il protocollo Skylink è anche un protocollo di controllo remoto per la trasmissione di immagini molto diffuso. Il protocollo Skylink è ampiamente utilizzato nella serie di droni Dao Tong EVO.

Anche il livello fisico del protocollo Skylink si basa sulla tecnologia OFDM, occupando una larghezza di banda di circa 10 MHz e una spaziatura delle sottoportanti di 15 KHz.

Figura 6 Diagramma tempo-frequenza del protocollo SkyLink

 Il protocollo Skylink adotta uno strato fisico simile a LTE, con una spaziatura delle sottoportanti di 15 KHz.

 Il downlink (segnale di trasmissione delle immagini) utilizza 600 sottoportanti, occupando una larghezza di banda di circa 9,02 MHz, mentre l'uplink (segnale di controllo remoto) utilizza 72 sottoportanti, occupando una larghezza di banda di circa 1,1 MHz.

 Wifi protocollo

Con-La tecnologia di comunicazione Fi è molto popolare nell'elettronica di consumo e molti veicoli aerei senza pilota civili utilizzano Wi-Fi-Fi protocol to tranomina la cosasegnali di controllo delle note e segnali di feedback dell'immagine. Il Wi-Il protocollo di comunicazione Fi ha subito molti anni di iterazione tecnologica. Oltre al primo Wi-Fi-Fi 1 utilizza lo spettro diffuso DSSS, il successivo Wi-Fi utilizza la tecnologia OFDM con parametri tecnici diversi come la larghezza di banda.

Wifi standard	Wifi versione	Versione standard	Frequenza di lavoro	Tecnologia di riutilizzo dello strato fisico	Numero di flussi spaziali	INcanale a banda ide	Dquelle tariffe
802.11	Wi-Fi1	1997	2,4 GHz	DSSS	1	20 MHz	2 Mbps
802.11b	Wi-Fi1	1999	2,4 GHz	DSSS	1	20 MHz	11 Mbps
802.11a	Wi-Fi2	1999	5 GHz	OFDM	1	20 MHz	54 Mbps
802.11g	Wi-Fi3	2003	2,4 GHz	OFDM	1	20 MHz	54 Mbps
802.11n	Wi-Fi4	2009	2,4 GHz, 5 GHz	MIMO-OFDM	Fino a 4	20/40 MHz	Fino a 600 Mbps
802.11ac	Wi-Fi5	2013	5 GHz	MIMO-OFDM	Fino a 8	20/40/80/160 MHz	Fino a 3,47 Gbps
802.11ax	Wi-Fi6	2019	2,4 GHz, 5 GHz	OFDMA, MU-MIMO	Fino a 8	20/40/80/160 MHz	Fino a 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	Fino a 23 Gbps

Il Wi-Fi-La tecnologia Fi utilizzata nel campo dei droni è solitamente 802.11n o 802.11ac, come il Wi-Fi-I chip Fi per questi due standard sono molto maturi. Prendendo come esempio l'802.11n, di solito ci sono due modalità di larghezza di banda per

Gli standard sono molto maturi. Prendendo come esempio lo standard 802.11n, di solito si possono scegliere due modalità di larghezza di banda, 20M e 40M, con una spaziatura delle sottoportanti di 312,5 kHz. In modalità 20M, ci sono 56 sottoportanti e la larghezza di banda effettivamente occupata è di circa 17,8 MHz. In modalità 40M, ci sono 114 sottoportanti e la larghezza di banda effettivamente occupata è di circa 35,9 MHz.

Figura 7 Diagramma tempo-frequenza di Wi-Sii un protocollo

 FPV ProtocolloELRS/TBS

Il protocollo di controllo remoto e il protocollo di trasmissione delle immagini dell'FPV sono separati. Il protocollo di controllo remoto utilizza solitamente ELRS o TBS Crossfire, mentre il protocollo di trasmissione delle immagini viene solitamente simulato per ottenere una latenza inferiore.

ELRS, noto anche come ExpressLRS, è un protocollo di controllo remoto open source che offre una latenza bassissima e distanze di controllo remoto maggiori. Il livello fisico di ELRS adotta il protocollo LoRA ed è implementato sui chip SX127x/SX1280 di SEMTECH. ELRS adotta la tecnologia a salto di frequenza e a spettro diffuso, che consente di ottenere una forte capacità anti-interferenza. Lo spettro diffuso di ELRS si basa sulla tecnologia a spettro diffuso chirp (modulazione di frequenza lineare). Maggiore è il fattore di diffusione, maggiori sono il guadagno, la sensibilità e la velocità di trasmissione. La larghezza di banda di ELRS è di 500 kHz e il fattore di diffusione è generalmente selezionato tra SF6 e SF9. La codifica del livello fisico di TBS Crossfire è simile a quella di ELRS, entrambi utilizzano la tecnologia a spettro diffuso chirp (modulazione di frequenza lineare), ma la larghezza di banda di ELRS è di soli 250 kHz.

fattore di diffusione	Lunghezza del codice a spettro diffuso	Sguadagno diffuso(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

Figura 8 Diagramma tempo-frequenza del protocollo ELRS