Witboek over UAV-interferentietechnologie gebaseerd op VCO DDS- en SDR-technologie (1)

Overzicht

De drone-industrie heeft zich de afgelopen jaren snel ontwikkeld en de inzet van drones is steeds wijdverbreider geworden, waarbij het aantal drones ook jaar na jaar een stijgende trend vertoont. Tegelijkertijd vormen drones echter ook een ernstige bedreiging voor de veiligheid op verschillende plaatsen in de samenleving. De afgelopen jaren hebben zich regelmatig incidenten voorgedaan waarbij drones kritieke infrastructuur aantastten en aanvielen, en er is dringend behoefte aan effectieve maatregelen. Drone-tellermaatregelentechnologie. Er zijn verschillende veelgebruikte technieken voor drone-tegenmaatregelen, waaronder:

• Technologie voor interferentie met draadloze signalen: Door het verzenden van interferentiesignalen op radiofrequenties worden draadloze signalen zoals die van afstandsbediening, beeldoverdracht, navigatie, enz. van onbemande luchtvaartuigen verstoord, met als doel het doel om weg te rijden, te interfereren of een drone te dwingen te landen.
• Technologie voor draadloze signaalmisleiding: Door misleidende draadloze signalen naar drones te sturen, kunnen de drones onjuiste informatie verkrijgen en zo het doel bereiken om drones te kapen. Er zijn twee hoofdtypen technieken voor draadloze signaalmisleiding: locatiesignaalmisleiding 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 het afvuren van kogels, kruisraketten of door botsingen met drones kunnen binnenvallende drones fysiek beschadigd raken. Ook kunnen er vangnetten worden afgeschoten om binnenvallende drones te vangen.

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

UAV-communicatieprotocol

Drones gebruiken over het algemeen de volgende vier soorten radiosignalen:

Figuur 1 Typisch schema van draadloos signaal van onbemand luchtvaartuig

1. RC：Afstandsbediening CdeNTRdeik：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 dronecamera 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. Deze informatie wordt ontvangen door de afstandsbediening en nabijgelegen controlestations.

Onder hen zijn de signalen van de afstandsbediening en de beeldfeedbacksignalen de belangrijkste doelwitten van maatregelen tegen radiofrequentie-interferentie. In sommige gevallen kunnen ze ook navigatie- en positioneringssignalen verstoren. Bij verstoring van de signalen van de afstandsbediening kan de drone geen instructies van de bestuurder ontvangen en zal deze zweven of terugkeren. Bij verstoring van het beeldfeedbacksignaal kan de afstandsbediening het beeld dat de drone ziet niet weergeven, waardoor de drone de controle kan verliezen. Bij verstoring van zowel de signalen van de afstandsbediening als de navigatiepositioneringssignalen kan de drone geen nauwkeurige positioneringsinformatie verkrijgen en landt hij direct. De drone vertrouwt op ultrasone sensoren om te voorkomen dat hij de grond raakt en op een bepaalde hoogte boven de grond zweeft.

De volgende tabel bevat een aantal veelgebruikte protocollen voor afstandsbediening en beeldoverdracht van drones. Grote fabrikanten zoals DJI en AUTEL hebben speciale protocollen voor beeldoverdracht voor afstandsbediening ontwikkeld, waarvan OcuSync en LightBridge van DJI de meest gebruikte zijn en de beste prestaties leveren. Fabrikanten die geen eigen protocollen voor beeldoverdracht voor afstandsbediening hebben, kiezen over het algemeen voor het wifi-protocol. Voor zelfbouw-FPV's zijn het ELRS-protocol en TBSCrossFire de standaard geworden.

 OFDM technologie-introductie

LightBridge, OcuSync、SkyLinkprotocol, enwifi, TDe coderingstechnologie van de fysieke laag maakt gebruik van OFDM-technologie. In deze sectie wordt OFDM-technologie kort geïntroduceerd.

OFDM TTechnologie is een multi-carrier modulatiemultiplextechniek die meerdere subdragers gebruikt om gelijktijdig data te verzenden, met gelijke frequentie-intervallen tussen elke subdrager. Hoewel er enige spectrale overlap is tussen aangrenzende subdragers, staan ​​ze loodrecht op elkaar, waardoor de signalen die door elke subdrager worden verzonden elkaar niet beïnvloeden. Dit maakt het mogelijk om data-informatie gelijktijdig over meerdere subdragers 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 volledig OFDM-frame bevat meestal meerdere OFDM-symbolen, en de duur van de OFDM-symbolen is het omgekeerde van de subdraaggolfafstand. Wanneer de subdraaggolfafstand 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 interferentie tussen symbolen, veroorzaakt door dispersie, tegen te gaan.

Figuur 3 OFDM-symbolen en subdragers

OFDMDe spectrumbenuttingsefficiëntie van multiplextechnologie is zeer hoog. In het frequentiedomein bestaan ​​OFDM-signalen uit vele subdraaggolven, en de energieverdeling van elke subdraaggolf is relatief gelijkmatig, waardoor het spectrum van OFDM-signalen bijna een vlakke, rechte lijn is. In het tijdsdomein bestaan ​​OFDM-signalen uit meerdere symbolen, elk met een vaste lengte.

Figuur 4 OFDM-symbolen en subdragers

 Dji LIGHTBRIDGE/OCUSYNC Protocol

DjiLichtbrugEn OcuSync Protocollen zijn de technische maatstaven voor civiele protocollen voor afstandsbediening van beeldoverdracht, waarbij het LightBridge-protocol eerder werd ontwikkeld en werd toegepast op modellen zoals de Phantom 3 en Inspire. Het OcuSync-protocol werd relatief laat ontwikkeld en wordt toegepast op modellen zoals de Phantom 4, de Mavic-serie, de Air-serie, enz. Het OcuSync-protocol is iteratief bijgewerkt en de nieuwste versie is OcuSync 4.0. Het OcuSync 4.0-protocol biedt krachtige transmissieprestaties en anti-interferentiemogelijkheden.

Figuur 5 Tijdfrequentiediagram van het DJI OcuSync-protocol

Lichtbrug&OcuSyncDe fysieke 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 in beslag nemen; 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 in beslag nemen, terwijl de downlink met een bandbreedte van 20 Mbps 1200 subcarriers gebruikt, die een bandbreedte van ongeveer 18,02 MHz in beslag nemen.

 SKYLINK Protocol

Het Skylink-protocol is ook een veelgebruikt protocol voor afstandsbediening van beeldoverdracht. 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

Wi-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 vernieuwing ondergaan. Naast de vroege Wi-Fi-technologieën,-Fi 1 maakt gebruik van DSSS spread spectrum, de daaropvolgende Wi-Fi maakt gebruik van OFDM-technologie met verschillende technische parameters, zoals bandbreedte.

wifi standaard	wifi 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 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	Tot4	20/40 MHz	Tot 600 Mbps
802.11ac	Wi-Fi5	2013	5 GHz	MIMO-OFDM	Tot 8	20/40/80/160 MHz	Tot 3,47 Gbps
802.11ax	Wi-Fi6	2019	2,4 GHz, 5 GHz	OFDMA, MU-MIMO	Tot 8	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 23 Gbps

De Wi-De op het gebied van drones gebruikte WiFi is meestal 802.11n of 802.11ac, aangezien WiFi de standaard is voor draadloze communicatie.-Fi-chips voor deze twee standaarden zijn zeer volwassen. Neem bijvoorbeeld 802.11n, er zijn doorgaans twee bandbreedtemodi om

De standaarden zijn zeer volwassen. Neem bijvoorbeeld 802.11n: er zijn doorgaans twee bandbreedtemodi om uit te kiezen, 20M en 40M, met een subcarrierafstand van 312,5 kHz. In de 20M-modus zijn er 56 subcarriers en is de werkelijk bezette bandbreedte ongeveer 17,8 MHz. In de 40M-modus zijn er 114 subcarriers en is de werkelijk bezette bandbreedte ongeveer 35,9 MHz.

Figuur 7 Tijdfrequentiediagram van Wi-Wees een protocol

 FPV Protocol ELRS/TBS

Het afstandsbedieningsprotocol en het beeldoverdrachtsprotocol van FPV zijn gescheiden. Het afstandsbedieningsprotocol maakt meestal gebruik van ELRS of TBS Crossfire, terwijl het beeldoverdrachtsprotocol meestal wordt gesimuleerd om een ​​lagere latentie te bereiken.

ELRS, ook bekend als ExpressLRS, is een open-source protocol voor afstandsbediening dat een extreem lage latentie en langere afstanden voor afstandsbediening biedt. De fysieke laag van ELRS maakt gebruik van het LoRA-protocol en is geïmplementeerd op basis van SEMTECH's SX127x/SX1280-chips. ELRS maakt gebruik van frequency hopping en spread spectrum-technologie, wat een sterke anti-interferentiewerking 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 500 kHz en de spread factor wordt over het algemeen geselecteerd van SF6 tot SF9. De codering van de fysieke laag van TBS Crossfire is vergelijkbaar met ELRS; beide maken gebruik van chirp (lineaire frequentiemodulatie) spread spectrum-technologie, maar de spread spectrum bandbreedte is slechts 250 kHz.

spreidingsfactor	Spread spectrum codelengte	Sspreidende winst（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