Whitepaper over UAV-interferentietechnologie op basis van VCO DDS en SDR-technologie (1)

Overzicht

De drone-industrie heeft zich de afgelopen jaren snel ontwikkeld en de toepassing van drones is steeds wijdverbreider geworden, waarbij het aantal drones ook jaar na jaar een stijgende trend vertoont. Tegelijkertijd vormen drones echter ook ernstige veiligheidsrisico's voor verschillende plaatsen in de samenleving. De afgelopen jaren hebben zich vaak incidenten voorgedaan waarbij drones kritieke infrastructuur hebben getroffen en aangevallen, en er is een dringende behoefte aan effectieve drone-tegenmaatregelentechnologie. Er zijn verschillende veelvoorkomende drone-tegenmaatregelentechnieken, waaronder:

• Technologie voor interferentie van draadloze signalen: Door het verzenden van interferentiesignalen op radiofrequenties worden draadloze signalen zoals afstandsbediening, beeldoverdracht, navigatie, enz. van onbemande luchtvaartuigen verstoord om het doel te bereiken van het wegrijden, verstoren of forceren van de landing van drones.
• Technologie voor draadloze signaalbedrog: Door misleidende draadloze signalen naar drones te sturen, kunnen de drones onjuiste informatie verkrijgen, waardoor het doel van het kapen van drones wordt bereikt. Er zijn twee hoofdtypen technieken voor draadloze signaalbedrog: locatiesignaalbedrog en afstandsbedieningssignaalkaping.
• Technologie voor gerichte energievernietiging: door het uitzenden van laser- of elektromagnetische signalen met hoge energie worden onbemande luchtvaartuigen fysiek vernietigd. Dit gebeurt hoofdzakelijk via twee technische routes: vernietiging met lasers en vernietiging met microgolven met hoge energie.
• Technologie voor fysieke schade/vangst: Door kogels of kruisraketten af ​​te vuren of door te botsen met drones, kunnen binnendringende drones fysiek beschadigd raken. Ook kunnen er vangnetten worden afgevuurd om binnendringende drones te vangen.

In dit artikel wordt voornamelijk de technologie voor draadloze signaalinterferentie besproken.

UAV-communicatieprotocol

Drones gebruiken over het algemeen de volgende vier soorten radiosignalen:

Figuur 1 Typisch draadloos signaalschema van onbemand luchtvaartuig

1. RC：AfstandsbedieningCdeNTRdeik：Het doorgeven van instructies van de operator aan de drone via signalen van de afstandsbediening, waardoor de drone de bijbehorende vliegacties kan uitvoeren;
2. IniDEndeoverdragen：Het videosignaal dat door de camera van de drone wordt vastgelegd, wordt teruggestuurd naar de afstandsbediening. Op basis van het verzonden beeldsignaal bestuurt de bestuurder de drone om de juiste vliegroute te selecteren en obstakels te vermijden.

NAiniGATideN:Drones ontvangen positioneringssignalen van navigatiesatellieten voor hun eigen positionering

De navigatiesignalen die worden waargenomen zijn onder andere GPS, Beidou, GLONASS, etc. De werkende frequentiebanden liggen voornamelijk rond de 1,2 GHz en 1,6 GHz.

3. TEnikEnMEnTREn：Wordt gebruikt om telemetrie-informatie te verspreiden, zoals de locatie van drones, die wordt ontvangen door de afstandsbediening en nabijgelegen controlestations.

Onder hen zijn de signalen van de afstandsbediening en de beeldfeedbacksignalen de belangrijkste doelen van radiofrequentie-interferentie-tegenmaatregelen, en in sommige gevallen kunnen ze ook de navigatie- en positioneringssignalen verstoren. Bij het verstoren van de signalen van de afstandsbediening kan de drone geen instructies van de operator ontvangen en zal hij zweef- of terugkeeracties uitvoeren; Bij het verstoren van het beeldfeedbacksignaal kan de afstandsbediening het beeld dat door de drone wordt gezien niet weergeven, waardoor de drone de controle kan verliezen; Bij het verstoren van zowel de signalen van de afstandsbediening als de navigatiepositioneringssignalen kan de drone geen nauwkeurige positioneringsinformatie verkrijgen en landt hij direct, waarbij hij vertrouwt op ultrasone sensoren om te voorkomen dat hij de grond raakt en op een bepaalde hoogte boven de grond zweeft.

De volgende tabel geeft een aantal veelvoorkomende protocollen voor afstandsbediening en beeldoverdracht van drones. Sterke fabrikanten zoals DJI en AUTEL hebben speciale protocollen voor beeldoverdracht van afstandsbedieningen ontwikkeld, waarvan DJI's OcuSync en LightBridge de meest voorkomende zijn en het beste presteren. Voor fabrikanten die geen zelfontwikkelde protocollen voor beeldoverdracht van afstandsbedieningen hebben, wordt over het algemeen het Wi-Fi-protocol gekozen. Voor doe-het-zelf FPV's zijn het ELRS-protocol en TBSCrossFire de daadwerkelijke standaarden geworden.

 OFDM technologie introductie

LightBridge, OcuSync、SkyLinkprotocol, enWi-Fi, TDe coderingstechnologie van de fysieke laag maakt gebruik van OFDM-technologie. Deze sectie zal kort OFDM-technologie introduceren.

OFDMTechnology is een multi-carrier modulatie multiplexing techniek die gebruik maakt van meerdere subcarriers om data gelijktijdig te verzenden, met gelijke frequentie-intervallen tussen elke subcarrier. Hoewel er enige spectrale overlap is tussen aangrenzende subcarriers, zijn ze orthogonaal aan elkaar, dus de signalen die door elke subcarrier worden verzonden, beïnvloeden elkaar niet. Dit maakt het mogelijk om data-informatie gelijktijdig op meerdere subcarriers te verzenden.

OFDMtechnologie is gewoonlijk gebaseerd op digitale signaalverwerkingstechnologie en het specifieke implementatieproces verloopt als volgt: de te moduleren gegevensbron wordt toegewezen aan N subdragers, elke subdrager wordt IQ-gemoduleerd en vervolgens worden de IQ-gemoduleerde gegevens van N subdragers onderworpen aan IFFT inverse Fourier-transformatie om de IQ-gegevens in het tijdsdomein van een OFDM-symbool te verkrijgen.

Figuur 2 Overzicht van het OFDM-modulatietechnologieprincipe

Een compleet OFDM-frame bevat gewoonlijk meerdere OFDM-symbolen en de duur van de OFDM-symbolen is het omgekeerde van de subcarrier-afstand. Wanneer de subcarrier-afstand bijvoorbeeld 15 kHz is, is de lengte van het OFDM-symbool 66,67 µs. Aan het begin van elk OFDM-symbool wordt een kortere cyclische prefix (CP) verlengd en ingevoegd. De inhoud van de CP is een kopie van de inhoud aan het einde van het OFDM-symbool. Het doel van het verlengen van de CP is om intersymboolinterferentie veroorzaakt door dispersie te weerstaan.

Figuur 3 OFDM-symbolen en subdragers

OFDMspectrumbenuttingsefficiëntie van multiplextechnologie is erg hoog. In het frequentiedomein bestaan ​​OFDM-signalen uit veel subdragers en de energietoewijzing van elke subdrager is relatief gelijkmatig, dus het spectrum van OFDM-signalen ligt dicht bij een vlakke rechte lijn. In het tijdsdomein bestaan ​​OFDM-signalen uit verschillende symbolen, elk met een vaste lengte.

Figuur 4 OFDM-symbolen en subdragers

 DjiLICHTBRUG/OCUSYNC Protocol

DjiLichtbrugEnOcuSyncprotocollen zijn de technische maatstaven voor civiele protocollen voor beeldoverdracht op afstand, waarbij het LightBridge-protocol eerder werd ontwikkeld en werd toegepast op modellen zoals Phantom 3 en Inspire; Het OcuSync-protocol werd relatief laat ontwikkeld en wordt toegepast op modellen zoals Phantom 4, Mavic-serie, Air-serie, enz. Het OcuSync-protocol is iteratief bijgewerkt en de nieuwste versie is OcuSync 4.0. Het OcuSync 4.0-protocol heeft sterke transmissieprestaties en anti-interferentievermogen.

Figuur 5 Tijdfrequentiediagram van DJI OcuSync-protocol

Lichtbrug&OcuSyncfysieke laag van het protocol is gebaseerd op OFDM-coderingstechnologie, maar de verschillende parameters van OFDM-codering zijn verschillend. Het LightBridge-protocol gebruikt een fysieke laag die vergelijkbaar is met WiMAX, met een subcarrier-afstand van 10,9375 kHz. De downlink gebruikt 864 subcarriers, die een bandbreedte van ongeveer 9,46 MHz innemen; het OcuSync-protocol gebruikt een fysieke laag die vergelijkbaar is met LTE, met een subcarrier-afstand van 15 kHz. De downlink met een bandbreedte van 10 Mbps gebruikt 600 subcarriers, die een bandbreedte van ongeveer 9,02 MHz innemen, terwijl de downlink met een bandbreedte van 20 Mbps 1200 subcarriers gebruikt, die een bandbreedte van ongeveer 18,02 MHz innemen.

 SKYLINK Protocol

Skylink-protocol is ook een veelgebruikt protocol voor beeldoverdracht op afstand. Het Skylink-protocol wordt veel gebruikt in de Dao Tong EVO-serie drones.

De fysieke laag van het Skylink-protocol is ook gebaseerd op OFDM-technologie en beslaat een bandbreedte van ongeveer 10 MHz en een subdraaggolfafstand van 15 kHz.

Figuur 6 Tijdfrequentiediagram van het SkyLink-protocol

 Het Skylink-protocol maakt gebruik van een fysieke laag die vergelijkbaar is met die van LTE, met een subdraaggolfafstand van 15 kHz.

 De downlink (beeldtransmissiesignaal) maakt gebruik van 600 subdragers, die een bandbreedte van ongeveer 9,02 MHz in beslag nemen, en de uplink (afstandsbedieningssignaal) maakt gebruik van 72 subdragers, die een bandbreedte van ongeveer 1,1 MHz in beslag nemen.

 WIFI protocol

Wij-Fi-communicatietechnologie is erg populair in consumentenelektronica en veel civiele onbemande luchtvaartuigen gebruiken Wi-Fi-protocol voor tranoem het dingote-besturingssignalen en beeldfeedbacksignalen. De Wi-Het Fi-communicatieprotocol heeft vele jaren van technologische iteratie ondergaan. Naast de vroege Wi-Fi 1 maakt gebruik van DSSS spread spectrum, de daaropvolgende Wi-Fi maakt gebruik van OFDM-technologie met verschillende technische parameters, zoals bandbreedte.

Wi-Fi standaard	Wi-Fi versie	Standaardversie	Werkfrequentie	Technologie voor hergebruik van fysieke lagen	Aantal ruimtelijke stromen	INide-band kanaal	Ddie tarieven
802.11	Wi-Fi1	1997	2,4 GHz	DSSS	1	20 MHz	2 Mbit/s
802.11b	Wi-Fi1	1999	2,4 GHz	DSSS	1	20 MHz	11 Mbps
802.11a	Wi-Fi2	1999	5GHz	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	Tot4	20/40 MHz	Tot 600 Mbps
802.11ac	Wi-Fi5	2013	5GHz	MIMO-OFDM	Tot8	20/40/80/160 MHz	Tot 3,47 Gbps
802.11ax	Wi-Fi6	2019	2,4 GHz, 5 GHz	OFDMA,MU-MIMO	Tot8	20/40/80/160 MHz	Tot 9,6 Gbps
802.11be	Wi-Fi7	2024	2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz	OFDMA,MU-MIMO	8	20/40/80/160/320 MHz	Tot 23Gbps

De Wi-De Fi die op het gebied van drones wordt gebruikt is meestal 802.11n of 802.11ac, aangezien de Wi-Fi-chips voor deze twee standaarden zijn zeer volwassen. Als we 802.11n als voorbeeld nemen, zijn er doorgaans twee bandbreedtemodi om

standaarden zijn zeer volwassen. Als we 802.11n als voorbeeld nemen, zijn er doorgaans twee bandbreedtemodi om uit te kiezen, 20M en 40M, met subcarrier-afstand van 312,5KHz. In de 20M-modus zijn er 56 subcarriers en is de werkelijk bezette bandbreedte ongeveer 17,8MHz. In de 40M-modus zijn er 114 subcarriers en is de werkelijk bezette bandbreedte ongeveer 35,9MHz.

Figuur 7 Tijdfrequentiediagram van Wi-Wees een protocol

 FPV ProtocolELRS/TBS

Het remote control protocol en het image transmission protocol van FPV zijn gescheiden. Het remote control protocol gebruikt meestal ELRS of TBS Crossfire, terwijl het image transmission protocol meestal wordt gesimuleerd om een ​​lagere latentie te bereiken.

ELRS, ook bekend als ExpressLRS, is een open-source remote control protocol dat een ultra-lage latentie en langere remote control afstanden biedt. De fysieke laag van ELRS neemt het LoRA protocol over en is geïmplementeerd op basis van SEMTECH's SX127x/SX1280 chips. ELRS neemt frequency hopping en spread spectrum technologie over, wat een sterk anti-interferentie vermogen kan bereiken. Het spread spectrum van ELRS is gebaseerd op chirp (lineaire frequentiemodulatie) spread spectrum technologie. Hoe groter de spread factor, hoe hoger de spread gain, gevoeligheid en transmissiesnelheid. De spread bandbreedte van ELRS is 500KHz, en de spread factor wordt over het algemeen geselecteerd van SF6 tot SF9. De fysieke laag codering van TBS Crossfire is vergelijkbaar met ELRS, beide gebruiken chirp (lineaire frequentiemodulatie) spread spectrum technologie, maar de spread spectrum bandbreedte is slechts 250KHz.

spreidingsfactor	Spread spectrum codelengte	Sverspreidingswinst(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

Figuur 8 Tijdfrequentiediagram van het ELRS-protocol