Sách trắng về Công nghệ can thiệp UAV dựa trên công nghệ VCO DDS và SDR (1)

Tổng quan

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp máy bay không người lái (drone) đã phát triển nhanh chóng, việc ứng dụng drone ngày càng phổ biến, số lượng drone cũng tăng theo từng năm. Tuy nhiên, drone cũng đặt ra những mối đe dọa an ninh nghiêm trọng cho nhiều nơi trong xã hội. Trong những năm gần đây, các vụ việc drone tấn công và gây ảnh hưởng đến cơ sở hạ tầng quan trọng đã xảy ra thường xuyên, và nhu cầu cấp thiết về một giải pháp hiệu quả là rất lớn. Bộ đếm máy bay không người láicông nghệ đo lường. Có một số kỹ thuật đối phó máy bay không người lái phổ biến, bao gồm:

• Công nghệ gây nhiễu tín hiệu không dây: Bằng cách truyền tín hiệu tần số vô tuyến gây nhiễu, gây nhiễu các tín hiệu không dây như điều khiển từ xa, truyền hình ảnh, dẫn đường, v.v. của máy bay không người lái nhằm mục đích xua đuổi, gây nhiễu hoặc buộc máy bay không người lái phải hạ cánh.
• Công nghệ đánh lừa tín hiệu không dây: Bằng cách truyền tín hiệu không dây đánh lừa đến máy bay không người lái, máy bay không người lái có thể thu thập thông tin sai lệch, từ đó đạt được mục đích chiếm quyền điều khiển máy bay không người lái. Có hai loại kỹ thuật đánh lừa tín hiệu không dây chính: đánh lừa tín hiệu vị trí và chiếm quyền điều khiển từ xa.
• Công nghệ phá hủy năng lượng định hướng: Bằng cách phát ra tia laser năng lượng cao hoặc tín hiệu điện từ, nó phá hủy vật lý các phương tiện bay không người lái, chủ yếu thông qua hai phương pháp kỹ thuật: phá hủy bằng tia laser và phá hủy bằng vi sóng năng lượng cao.
• Công nghệ gây sát thương vật lý/bắt giữ: Bằng cách phóng đạn, tên lửa hành trình hoặc va chạm với máy bay không người lái, máy bay không người lái xâm lược có thể bị gây sát thương vật lý hoặc bắn lưới bắt giữ để bắt máy bay không người lái xâm lược.

Bài viết này chủ yếu thảo luận về công nghệ nhiễu tín hiệu không dây.

Giao thức truyền thông UAV

Máy bay không người lái thường sử dụng bốn loại tín hiệu vô tuyến sau:

Hình 1 Sơ đồ tín hiệu không dây điển hình của máy bay không người lái

1. RC: Điều khiển từ xa CcáiNtrcáitôi：Truyền hướng dẫn từ người điều khiển đến máy bay không người lái thông qua tín hiệu điều khiển từ xa, cho phép máy bay không người lái thực hiện các hành động bay tương ứng;
2. TRONGTôingàyVàcáiquá trình lây truyền：Tín hiệu video được camera của máy bay không người lái thu được sẽ được truyền về bộ điều khiển từ xa, người điều khiển sẽ vận hành máy bay không người lái dựa trên tín hiệu hình ảnh được truyền đi để lựa chọn đường bay phù hợp và tránh va vào chướng ngại vật;

NMộtTRONGTôigMộttTôicáiN: Máy bay không người lái nhận tín hiệu định vị từ vệ tinh dẫn đường để định vị riêng

Các tín hiệu dẫn đường được nhìn thấy bao gồm GPS, Beidou, GLONASS, v.v. và các dải tần số làm việc chủ yếu phân bổ xung quanh 1,2 GHz và 1,6 GHz.

3. TVàtôiVàtôiVàtrVà：Được sử dụng để phân phối thông tin đo từ xa như vị trí của máy bay không người lái, thông tin này sẽ được bộ điều khiển từ xa và các trạm giám sát gần đó nhận được.

Trong số đó, tín hiệu điều khiển từ xa và tín hiệu phản hồi hình ảnh là mục tiêu chính của các biện pháp chống nhiễu tần số vô tuyến, và trong một số trường hợp, chúng cũng có thể gây nhiễu tín hiệu dẫn đường và định vị. Khi gây nhiễu tín hiệu điều khiển từ xa, máy bay không người lái không thể nhận lệnh từ người điều khiển và sẽ thực hiện các hành động lơ lửng hoặc quay trở lại; Khi gây nhiễu tín hiệu phản hồi hình ảnh, điều khiển từ xa không thể hiển thị hình ảnh mà máy bay không người lái nhìn thấy, điều này có thể khiến máy bay không người lái mất kiểm soát; Khi gây nhiễu cả tín hiệu điều khiển từ xa và tín hiệu định vị dẫn đường, máy bay không người lái không thể thu thập thông tin định vị chính xác và hạ cánh trực tiếp, dựa vào cảm biến siêu âm để tránh chạm đất và lơ lửng ở một độ cao nhất định so với mặt đất.

Bảng sau đây liệt kê một số giao thức điều khiển từ xa và truyền hình ảnh phổ biến cho drone. Các nhà sản xuất lớn như DJI và AUTEL đã phát triển các giao thức truyền hình ảnh điều khiển từ xa chuyên dụng, trong đó OcuSync và LightBridge của DJI là phổ biến nhất và hoạt động tốt nhất. Đối với các nhà sản xuất không có giao thức truyền hình ảnh điều khiển từ xa tự phát triển, giao thức Wi-Fi thường được lựa chọn. Đối với FPV tự chế, giao thức ELRS và TBSCrossFire đã trở thành tiêu chuẩn thực tế.

 OFDM giới thiệu công nghệ

LightBridge、OcuSync、SkyLinkgiao thức vàWi-Fi, tCông nghệ mã hóa của lớp vật lý sử dụng công nghệ OFDM. Phần này sẽ giới thiệu sơ lược về công nghệ OFDM.

OFDM tCông nghệ này là một kỹ thuật ghép kênh điều chế đa sóng mang, sử dụng nhiều sóng mang con để truyền dữ liệu đồng thời, với khoảng tần số bằng nhau giữa mỗi sóng mang con. Mặc dù có một số chồng chéo phổ giữa các sóng mang con liền kề, nhưng chúng trực giao với nhau, do đó tín hiệu được truyền bởi mỗi sóng mang con không ảnh hưởng lẫn nhau. Điều này cho phép thông tin dữ liệu được truyền đồng thời trên nhiều sóng mang con.

OFDMcông nghệ này thường dựa trên công nghệ xử lý tín hiệu số và quy trình triển khai cụ thể như sau: nguồn dữ liệu cần điều chế được phân bổ cho N sóng mang phụ, mỗi sóng mang phụ được điều chế IQ, sau đó dữ liệu được điều chế IQ của N sóng mang phụ được đưa vào biến đổi Fourier ngược IFFT để thu được dữ liệu IQ miền thời gian của ký hiệu OFDM.

Hình 2 Tổng quan về nguyên lý công nghệ điều chế OFDM

Một khung OFDM hoàn chỉnh thường chứa một số ký hiệu OFDM, và độ dài của các ký hiệu OFDM là nghịch đảo của khoảng cách sóng mang con. Ví dụ, khi khoảng cách sóng mang con là 15KHz, độ dài của ký hiệu OFDM là 66,67us. Ở đầu mỗi ký hiệu OFDM, một tiền tố chu kỳ (CP) ngắn hơn được kéo dài và chèn vào. Nội dung của CP là bản sao của nội dung ở cuối ký hiệu OFDM. Mục đích của việc kéo dài CP là để chống nhiễu giữa các ký hiệu do tán sắc.

Hình 3 Ký hiệu OFDM và sóng mang phụ

OFDMHiệu suất sử dụng phổ tần của công nghệ ghép kênh rất cao. Trong miền tần số, tín hiệu OFDM bao gồm nhiều sóng mang con, và sự phân bổ năng lượng của mỗi sóng mang con tương đối đồng đều, do đó phổ của tín hiệu OFDM gần như là một đường thẳng phẳng. Trong miền thời gian, tín hiệu OFDM bao gồm nhiều ký hiệu, mỗi ký hiệu có độ dài cố định.

Hình 4 Ký hiệu OFDM và sóng mang phụ

 Dji LIGHTBRIDGE/OCUSYNC Giao thức

DjiLightBridgeVà OcuSync Giao thức là chuẩn mực kỹ thuật cho các giao thức điều khiển từ xa truyền hình ảnh dân dụng, trong đó giao thức LightBridge được phát triển trước đó và áp dụng cho các mẫu như Phantom 3 và Inspire; Giao thức OcuSync được phát triển tương đối muộn và được áp dụng cho các mẫu như Phantom 4, dòng Mavic, dòng Air, v.v. Giao thức OcuSync đã được cập nhật liên tục và phiên bản mới nhất là OcuSync 4.0. Giao thức OcuSync 4.0 có hiệu suất truyền tải mạnh mẽ và khả năng chống nhiễu.

Hình 5 Biểu đồ tần số thời gian của giao thức DJI OcuSync

LightBridge&OcuSyncLớp vật lý của giao thức dựa trên công nghệ mã hóa OFDM, nhưng các tham số mã hóa OFDM khác nhau. Giao thức LightBridge sử dụng lớp vật lý tương tự WiMAX, với khoảng cách sóng mang con là 10,9375KHz. Đường xuống sử dụng 864 sóng mang con, chiếm băng thông khoảng 9,46MHz; giao thức OcuSync sử dụng lớp vật lý tương tự LTE, với khoảng cách sóng mang con là 15KHz. Đường xuống băng thông 10M sử dụng 600 sóng mang con, chiếm băng thông khoảng 9,02MHz, trong khi đường xuống băng thông 20M sử dụng 1200 sóng mang con, chiếm băng thông khoảng 18,02MHz.

 SKYLINK Giao thức

Giao thức Skylink cũng là một giao thức điều khiển từ xa truyền hình ảnh phổ biến. Giao thức Skylink được sử dụng rộng rãi trong dòng máy bay không người lái Dao Tong EVO.

Lớp vật lý của giao thức Skylink cũng dựa trên công nghệ OFDM, chiếm băng thông khoảng 10MHz và khoảng cách giữa các sóng mang phụ là 15KHz.

Hình 6 Biểu đồ tần số thời gian của giao thức SkyLink

 Giao thức Skylink sử dụng lớp vật lý tương tự như LTE, với khoảng cách giữa các sóng mang phụ là 15KHz.

 Đường xuống (tín hiệu truyền hình ảnh) sử dụng 600 sóng mang phụ, chiếm băng thông khoảng 9,02MHz, và đường lên (tín hiệu điều khiển từ xa) sử dụng 72 sóng mang phụ, chiếm băng thông khoảng 1,1MHz.

 Wi-Fi giao thức

Wi-Công nghệ truyền thông Fi rất phổ biến trong các thiết bị điện tử tiêu dùng và nhiều máy bay không người lái dân dụng sử dụng Wi-Giao thức Fi để tra cứuđặt tên cho sự vậttín hiệu điều khiển và tín hiệu phản hồi hình ảnh. Wi-Giao thức truyền thông Fi đã trải qua nhiều năm cải tiến công nghệ. Ngoài Wi-Fi ban đầu-Fi 1 sử dụng phổ trải rộng DSSS, Wi Fi tiếp theo sử dụng công nghệ OFDM với các thông số kỹ thuật khác nhau như băng thông.

Wi-Fi tiêu chuẩn	Wi-Fi phiên bản	Phiên bản tiêu chuẩn	Tần suất làm việc	Công nghệ tái sử dụng lớp vật lý	Số lượng luồng không gian	TRONGkênh băng tần ide	Dnhững tỷ lệ đó
802.11	Wi-Fi1	1997	2,4 GHz	DSSS	1	20MHz	2 Mb/giây
802.11b	Wi-Fi1	1999	2,4 GHz	DSSS	1	20MHz	11Mbps
802.11a	Wi-Fi2	1999	5GHz	OFDM	1	20MHz	54Mbps
802.11g	Wi-Fi3	2003	2,4 GHz	OFDM	1	20MHz	54Mbps
802.11n	Wi-Fi4	2009	2,4 GHz, 5 GHz	MIMO-OFDM	Lên đến 4	20/40MHz	Lên đến 600 Mbps
802.11ac	Wi-Fi5	2013	5GHz	MIMO-OFDM	Lên đến 8	20/40/80/160MHz	Lên đến 3,47Gbps
802.11ax	Wi-Fi6	2019	2,4 GHz, 5 GHz	OFDMA, MU-MIMO	Lên đến 8	20/40/80/160MHz	Lên đến 9,6Gbps
802.11be	Wi-Fi 7	2024	2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz	OFDMA, MU-MIMO	8	20/40/80/160/320MHz	Lên đến 23Gbps

Wi-Fi-Fi được sử dụng trong lĩnh vực máy bay không người lái thường là 802.11n hoặc 802.11ac, vì Wi-Chip Fi cho hai chuẩn này rất hoàn thiện. Lấy 802.11n làm ví dụ, thường có hai chế độ băng thông để

Tiêu chuẩn 802.11n rất hoàn thiện. Lấy ví dụ về 802.11n, thường có hai chế độ băng thông để lựa chọn: 20M và 40M, với khoảng cách giữa các sóng mang con là 312,5KHz. Ở chế độ 20M, có 56 sóng mang con, và băng thông thực tế chiếm dụng khoảng 17,8MHz. Ở chế độ 40M, có 114 sóng mang con, và băng thông thực tế chiếm dụng khoảng 35,9MHz.

Hình 7 Biểu đồ tần số thời gian của Wi-Hãy là một giao thức

 FPV Giao thức ELRS/TBS

Giao thức điều khiển từ xa và giao thức truyền hình ảnh của FPV là riêng biệt. Giao thức điều khiển từ xa thường sử dụng ELRS hoặc TBS Crossfire, trong khi giao thức truyền hình ảnh thường được mô phỏng để đạt được độ trễ thấp hơn.

ELRS, còn được gọi là ExpressLRS, là một giao thức điều khiển từ xa nguồn mở cung cấp độ trễ cực thấp và khoảng cách điều khiển từ xa xa hơn. Lớp vật lý của ELRS áp dụng giao thức LoRA và được triển khai dựa trên chip SX127x/SX1280 của SEMTECH. ELRS áp dụng công nghệ nhảy tần và trải phổ, có thể đạt được khả năng chống nhiễu mạnh. Trải phổ của ELRS dựa trên công nghệ trải phổ chirp (điều chế tần số tuyến tính). Hệ số trải phổ càng lớn thì độ khuếch đại trải phổ, độ nhạy và tốc độ truyền càng cao. Băng thông trải phổ của ELRS là 500KHz và hệ số trải phổ thường được chọn từ SF6 đến SF9. Mã hóa lớp vật lý của TBS Crossfire tương tự như ELRS, cả hai đều sử dụng công nghệ trải phổ chirp (điều chế tần số tuyến tính), nhưng băng thông trải phổ chỉ là 250KHz.

hệ số lan truyền	Độ dài mã phổ trải rộng	Slợi nhuận dự kiến(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

Hình 8 Biểu đồ tần số thời gian của giao thức ELRS