White Paper sobre tecnologia de interferência de UAV baseada em tecnologia VCO DDS e SDR (1)

Visão geral

Nos últimos anos, a indústria de drones se desenvolveu rapidamente, e a aplicação de drones se tornou cada vez mais difundida, com o número de drones também mostrando uma tendência crescente ano a ano. No entanto, ao mesmo tempo, os drones também representam sérias ameaças à segurança em vários lugares da sociedade. Nos últimos anos, incidentes de drones impactando e atacando infraestrutura crítica ocorreram com frequência, e há uma necessidade urgente de tecnologia eficaz de contramedidas de drones. Existem várias técnicas comuns de contramedidas de drones, incluindo:

• Tecnologia de interferência de sinal sem fio: Ao transmitir sinais de radiofrequência de interferência, ela interfere em sinais sem fio, como controle remoto, transmissão de imagem, navegação, etc. de veículos aéreos não tripulados, para atingir o objetivo de afastar, interferir ou forçar o pouso do drone.
• Tecnologia de engano de sinal sem fio: Ao transmitir sinais sem fio enganosos para drones, os drones podem obter informações incorretas, atingindo assim o propósito de sequestrar drones. Existem dois tipos principais de técnicas de engano de sinal sem fio: engano de sinal de localização e sequestro de sinal de controle remoto.
• Tecnologia de destruição de energia direcionada: Ao emitir sinais eletromagnéticos ou de laser de alta energia, ela destrói fisicamente veículos aéreos não tripulados, principalmente por meio de duas rotas técnicas: destruição por laser e destruição por micro-ondas de alta energia.
• Tecnologia de captura/dano físico: Ao lançar balas, mísseis de cruzeiro ou colidir com drones, os drones invasores podem ser fisicamente danificados, ou disparar redes de captura para capturar os drones invasores.

Este artigo discute principalmente a tecnologia de interferência de sinal sem fio.

Protocolo de comunicação UAV

Os drones geralmente usam os quatro tipos de sinais de rádio a seguir:

Figura 1 Esquema típico de sinal sem fio de veículo aéreo não tripulado

1. RC: RemotoConãopararoeu：Transmitir instruções do operador para o drone por meio de sinais de controle remoto, permitindo que o drone execute ações de voo correspondentes;
2. Emeueeotransmissão：O sinal de vídeo capturado pela câmera do drone é transmitido de volta ao controle remoto, e o operador opera o drone com base no sinal de imagem transmitido para selecionar a trajetória de voo apropriada e evitar bater em obstáculos;

Nãoumemeugumparaeuonão:Os drones recebem sinais de posicionamento de satélites de navegação para seu próprio posicionamento

Os sinais de navegação vistos incluem GPS, Beidou, GLONASS, etc., e as faixas de frequência de trabalho são distribuídas principalmente em torno de 1,2 GHz e 1,6 GHz.

3. Eeeueeueparare：Usado para distribuir informações de telemetria, como a localização de drones, que serão recebidas pelo controle remoto e estações de monitoramento próximas.

Entre eles, os sinais de controle remoto e os sinais de feedback de imagem são os principais alvos das contramedidas de interferência de radiofrequência e, em alguns casos, também podem interferir nos sinais de navegação e posicionamento. Ao interferir nos sinais de controle remoto, o drone não pode receber instruções do operador e executará ações de pairar ou retornar; Ao interferir no sinal de feedback de imagem, o controle remoto não pode exibir a imagem vista pelo drone, o que pode fazer com que o drone perca o controle; Ao interferir nos sinais de controle remoto e nos sinais de posicionamento de navegação, o drone não pode obter informações precisas de posicionamento e pousa diretamente, contando com sensores ultrassônicos para evitar tocar o solo e pairar a uma certa altura acima do solo.

A tabela a seguir lista alguns protocolos comuns de controle remoto e transmissão de imagens de drones. Fabricantes fortes como DJI e AUTEL desenvolveram protocolos dedicados de transmissão de imagens de controle remoto, entre os quais OcuSync e LightBridge da DJI são os mais comuns e têm o melhor desempenho. Para fabricantes que não têm protocolos de transmissão de imagens de controle remoto autodesenvolvidos, o protocolo Wi-Fi é geralmente escolhido. Para FPVs DIY, o protocolo ELRS e TBSCrossFire se tornaram os padrões reais.

 OFDM introdução à tecnologia

Ponte de Luz, OcuSync、Link do céuprotocolo, eWi-fi, oA tecnologia de codificação de sua camada física adota a tecnologia OFDM. Esta seção apresentará brevemente a tecnologia OFDM.

OFDMparaechnology é uma técnica de multiplexação de modulação multiportadora que usa múltiplas subportadoras para transmitir dados simultaneamente, com intervalos de frequência iguais entre cada subportadora. Embora haja alguma sobreposição espectral entre subportadoras adjacentes, elas são ortogonais entre si, então os sinais transmitidos por cada subportadora não afetam uns aos outros. Isso permite que as informações de dados sejam transmitidas simultaneamente em muitas subportadoras.

OFDMa tecnologia geralmente é baseada na tecnologia de processamento de sinal digital, e o processo de implementação específico é o seguinte: a fonte de dados a ser modulada é alocada para N subportadoras, cada subportadora é modulada por IQ e, então, os dados modulados por IQ de N subportadoras são submetidos à transformada inversa de Fourier IFFT para obter os dados de IQ no domínio do tempo de um símbolo OFDM.

Figura 2 Visão geral do princípio da tecnologia de modulação OFDM

Um quadro OFDM completo geralmente contém vários símbolos OFDM, e a duração dos símbolos OFDM é o recíproco do espaçamento da subportadora. Por exemplo, quando o espaçamento da subportadora é de 15 KHz, o comprimento do símbolo OFDM é 66,67us. No início de cada símbolo OFDM, um prefixo cíclico (CP) mais curto é estendido e inserido. O conteúdo do CP é uma cópia do conteúdo no final do símbolo OFDM. O propósito de estender o CP é resistir à interferência entre símbolos causada pela dispersão.

Figura 3 Símbolos OFDM e subportadoras

OFDMa eficiência de utilização do espectro da tecnologia de multiplexação é muito alta. No domínio da frequência, os sinais OFDM consistem em muitas subportadoras, e a alocação de energia de cada subportadora é relativamente uniforme, então o espectro dos sinais OFDM é próximo de uma linha reta plana. No domínio do tempo, os sinais OFDM consistem em vários símbolos, cada um com um comprimento fixo.

Figura 4 Símbolos OFDM e subportadoras

 DJIPONTE DE LUZ/OCUSYNC Protocolo

DJIPonte de LuzeOcuSyncprotocolos são os benchmarks técnicos para protocolos de controle remoto de transmissão de imagem civil, com o protocolo LightBridge desenvolvido anteriormente e aplicado a modelos como Phantom 3 e Inspire; O protocolo OcuSync foi desenvolvido relativamente tarde e é aplicado a modelos como Phantom 4, série Mavic, série Air, etc. O protocolo OcuSync foi atualizado iterativamente, e sua versão mais recente é OcuSync 4.0. O protocolo OcuSync 4.0 tem forte desempenho de transmissão e capacidade anti-interferência.

Figura 5 Diagrama de frequência de tempo do protocolo DJI OcuSync

Ponte de Luz&OcuSynccamada física do protocolo é baseada na tecnologia de codificação OFDM, mas os vários parâmetros da codificação OFDM são diferentes. O protocolo LightBridge usa uma camada física semelhante ao WiMAX, com um espaçamento de subportadora de 10,9375 KHz. O downlink usa 864 subportadoras, ocupando uma largura de banda de aproximadamente 9,46 MHz; O protocolo OcuSync usa uma camada física semelhante ao LTE, com um espaçamento de subportadora de 15 KHz. O downlink de largura de banda de 10 M usa 600 subportadoras, ocupando uma largura de banda de aproximadamente 9,02 MHz, enquanto o downlink de largura de banda de 20 M usa 1200 subportadoras, ocupando uma largura de banda de aproximadamente 18,02 MHz.

 Link do céu Protocolo

O protocolo Skylink também é um protocolo comum de controle remoto de transmissão de imagem. O protocolo Skylink é amplamente usado na série de drones Dao Tong EVO.

A camada física do protocolo Skylink também é baseada na tecnologia OFDM, ocupando uma largura de banda de aproximadamente 10 MHz e um espaçamento de subportadora de 15 KHz.

Figura 6 Diagrama de frequência de tempo do protocolo SkyLink

 O protocolo Skylink adota uma camada física semelhante ao LTE, com um espaçamento de subportadora de 15 KHz.

 O downlink (sinal de transmissão de imagem) usa 600 subportadoras, ocupando uma largura de banda de cerca de 9,02 MHz, e o uplink (sinal de controle remoto) usa 72 subportadoras, ocupando uma largura de banda de cerca de 1,1 MHz.

 WI-FI protocolo

Com-A tecnologia de comunicação Fi é muito popular em eletrônicos de consumo, e muitos veículos aéreos civis não tripulados usam Wi-Protocolo Fi para tranomeie a coisasinais de controle de ote e sinais de feedback de imagem. O Wi-O protocolo de comunicação Fi passou por muitos anos de iteração tecnológica. Além do Wi inicial-O Fi 1 usa espectro espalhado DSSS, o Wi-Fi subsequente usa tecnologia OFDM com diferentes parâmetros técnicos, como largura de banda.

Wi-fi padrão	Wi-fi versão	Versão padrão	Frequência de trabalho	Tecnologia de reutilização da camada física	Número de fluxos espaciais	EMcanal de banda ide	Eessas taxas
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	5 GHz	OFDM	1	20MHz	54 Mbps
802.11g	Wi-Fi3	2003	2,4 GHz	OFDM	1	20MHz	54 Mbps
802.11n	Wi-Fi4	2009	2,4 GHz, 5 GHz	MIMO-OFDM	Até4	20/40MHz	Até 600 Mbps
802.11ac	Wi-Fi5	2013	5 GHz	MIMO-OFDM	Até 8	20/40/80/160MHz	Até 3,47 Gbps
802.11ax	Wi-Fi6	2019	2,4 GHz, 5 GHz	OFDMA, MU-MIMO	Até 8	20/40/80/160MHz	Até 9,6 Gbps
802.11be	Wi-Fi7	2024	2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz	OFDMA, MU-MIMO	8	20/40/80/160/320MHz	Até 23 Gbps

O Wi-O Fi usado no campo dos drones é geralmente 802.11n ou 802.11ac, como o Wi-Os chips Fi para esses dois padrões são muito maduros. Tomando 802.11n como exemplo, geralmente há dois modos de largura de banda para

os padrões são muito maduros. Tomando 802.11n como exemplo, geralmente há dois modos de largura de banda para escolher, 20M e 40M, com espaçamento de subportadora de 312,5 KHz. No modo 20M, há 56 subportadoras, e a largura de banda ocupada real é de cerca de 17,8 MHz. No modo 40M, há 114 subportadoras, e a largura de banda ocupada real é de cerca de 35,9 MHz.

Figura 7 Diagrama de frequência de tempo de Wi-Seja um protocolo

 FPV ProtocoloELRS/TBS

O protocolo de controle remoto e o protocolo de transmissão de imagem do FPV são separados. O protocolo de controle remoto geralmente usa ELRS ou TBS Crossfire, enquanto o protocolo de transmissão de imagem é geralmente simulado para atingir menor latência.

ELRS, também conhecido como ExpressLRS, é um protocolo de controle remoto de código aberto que fornece latência ultrabaixa e distâncias de controle remoto maiores. A camada física do ELRS adota o protocolo LoRA e é implementada com base nos chips SX127x/SX1280 da SEMTECH. O ELRS adota a tecnologia de salto de frequência e espectro espalhado, que pode atingir forte capacidade anti-interferência. O espectro espalhado do ELRS é baseado na tecnologia de espectro espalhado chirp (modulação de frequência linear). Quanto maior o fator de espalhamento, maior o ganho de espalhamento, a sensibilidade e a taxa de transmissão. A largura de banda de espalhamento do ELRS é de 500 KHz, e o fator de espalhamento é geralmente selecionado de SF6 a SF9. A codificação da camada física do TBS Crossfire é semelhante ao ELRS, ambos usando a tecnologia de espectro espalhado chirp (modulação de frequência linear), mas a largura de banda do espectro espalhado é de apenas 250 KHz.

fator de espalhamento	Comprimento do código de espectro espalhado	Sganho de propagação（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 Diagrama de frequência de tempo do protocolo ELRS