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 đã phát triển nhanh chóng và việc ứng dụng máy bay không người lái ngày càng trở nên phổ biến, số lượng máy bay không người lái cũng cho thấy xu hướng tăng lên theo từng năm. Tuy nhiên, đồng thời, máy bay không người lái cũng gây ra mối đe dọa an ninh nghiêm trọng cho nhiều nơi trong xã hội. Trong những năm gần đây, các vụ việc máy bay không người lái tác động và tấn công cơ sở hạ tầng quan trọng đã xảy ra thường xuyên và có nhu cầu cấp thiết về công nghệ đối phó máy bay không người lái hiệu quả. 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, làm nhiễu các tín hiệu không dây như điều khiển từ xa, truyền hình ảnh, dẫn đường,... của máy bay không người lái nhằm mục đích xua đuổi, gây nhiễu hoặc buộc máy bay không người lái 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 được thông tin không chính xác, do đó đạt được mục đích chiếm quyền điều khiển máy bay không người lái. Có hai loại chính của kỹ thuật đánh lừa tín hiệu không dây: 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, công nghệ này 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 xaCcáiNtrcáitôi：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 do 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 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 của chúng

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 được hướng dẫn 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 lấy 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 của máy bay không người lái. Các nhà sản xuất mạnh 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 chọn. Đối với FPV DIY, giao thức ELRS và TBSCrossFire đã trở thành tiêu chuẩn thực tế.

 OFDM giới thiệu công nghệ

LightBridge, OcuSync、Liên kết bầu trờigiao thức, vàWi-Fi, tCông nghệ mã hóa của lớp vật lý của nó áp dụng công nghệ OFDM. Phần này sẽ giới thiệu tóm tắt về công nghệ OFDM.

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

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 và 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 một 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 thời lượng của các ký hiệu OFDM là nghịch đảo của khoảng cách giữa các sóng mang con. Ví dụ, khi khoảng cách giữa các sóng mang con là 15KHz, độ dài của ký hiệu OFDM là 66,67us. Vào 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 lại nhiễu giữa các ký hiệu do sự phân tán gây ra.

Hình 3 Ký hiệu OFDM và sóng mang phụ

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

Hình 4 Ký hiệu OFDM và sóng mang phụ

 DjiLIGHTBRIDGE/OCUSYNC Giao thức

DjiCầu Ánh SángVàĐồng bộ OcuSyncgiao thức là chuẩn mực kỹ thuật cho giao thức điều khiển từ xa truyền hình ảnh dân dụng, với giao thức LightBridge được phát triển trước đó và được 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 theo từng bước và phiên bản mới nhất của nó là OcuSync 4.0. Giao thức OcuSync 4.0 có hiệu suất truyền mạnh mẽ và khả năng chống nhiễu.

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

Cầu Ánh Sáng&Đồng bộ OcuSyncLớp vật lý của giao thức dựa trên công nghệ mã hóa OFDM, nhưng các thông số khác nhau của mã hóa OFDM lại khác nhau. Giao thức LightBridge sử dụng lớp vật lý tương tự như WiMAX, với khoảng cách giữa các 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 như LTE, với khoảng cách giữa các 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 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

Không-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 trađặt 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	2,4GHz	DSSS	1	20MHz	2Mbps
802.11b	Wi-Fi1	1999	2,4GHz	DSSS	1	20MHz	11Mbps
802.11a	Wi-Fi2	1999	5GHz	OFDM	1	20MHz	54Mbps
802.11g	Wi-Fi3	2003	2,4GHz	OFDM	1	20MHz	54Mbps
802.11n	Wi-Fi4	2009	2,4GHz, 5GHz	MIMO OFDM	Lên đến4	20/40MHz	Lên đến 600 Mbps
802.11ac	Wi-Fi5	2013	5GHz	MIMO OFDM	Lên đến8	20/40/80/160MHz	Lên đến 3,47Gbps
802.11ax	Wi-Fi6	2019	2,4GHz, 5GHz	OFDMA, MU-MIMO	Lên đến8	20/40/80/160MHz	Lên đến 9,6Gbps
802.11be	Wi-Fi7	2024	2,4GHz, 5GHz, 6GHz	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-Các 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 rất trưởng thành. Lấy 802.11n làm ví dụ, 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 là khoảng 17,8MHz. Ở chế độ 40M, có 114 sóng mang con và băng thông thực tế chiếm dụng là khoảng 35,9MHz.

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

 FPV Giao thứcELRS/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 phổ trải rộng, có thể đạt được khả năng chống nhiễu mạnh. Phổ trải rộng của ELRS dựa trên công nghệ phổ trải rộng chirp (điều chế tần số tuyến tính). Hệ số trải rộng càng lớn thì độ khuếch đại lan truyền, độ nhạy và tốc độ truyền càng cao. Băng thông lan truyền của ELRS là 500KHz và hệ số lan truyền 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 phổ trải rộng chirp (điều chế tần số tuyến tính), nhưng băng thông phổ trải rộng chỉ là 250KHz.

yếu tố lan truyền	Độ dài mã phổ trải rộng	Slợi nhuận trước（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