中远距离无人机的无线通信系统

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目前市场无人机的常用无线通信系统框图：

目前市场无人机一般用得最多的是用两个IC构成的数据链系统，每个IC内部就包含了接收和发射，即双向系统，例如NRF24L01或者类同的国产IC。稍微高级一些的需要传图像，由于传输速率超过3Mbps，用的基本都是WI—FI方案，然后加PA。对抗干扰指标无要求，基本上无抗镜像干扰、中频干扰能力。这就是目前普通无人机容易受干扰，容易失控掉落的原因。
另外，采用2.4G和5.6G的微波载波通信系统，对于低空非视线内的通信有盲区，不适合丘陵地区的低空飞行和快递运输。波长越短，绕射能力就越差！
上述这些都是短距离无人机无线通信系统。（待续）

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henerychan

为什么不做一个跳频处理，基本上在软件上可以处理的

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然后呢，求大神继续科普

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如果我来不及更新，大家可以到深圳承庆科技网站“产品问答”栏目去看更加详细的科普文章，还有专业的解说。

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中远距离无人机无线通信系统框图：
家都在讲速度，都想挣快钱，讲效率当然好，不过做事需要把握好分寸，讲究质量，要把基础打好，教育系统特别应该注意，不要‘欲速不达’。基础好，质量才可能好。
框图解说：
1）        无线通信系统中的接收机
评估接收机性能的三大指标：
a）        灵敏度
b）        选择性
c）        基带保真度
a）        灵敏度----脱离了“选择性”去追求灵敏度是没有意义的。有经验的资深射频工程师可能会注意到，单片接收机的测试灵敏度很高，但是在实际应用时效果却很差，在城市中特别明显。而一些国外带分立件接收机的接收机虽然测试灵敏度不高，使用效果却非常好，距离远而且非常稳定。为什么？这是因为测试灵敏度时，信号源与接收机是通过电缆连接的，外界的干扰被电缆屏蔽掉了，这个灵敏度是脱离了“选择性”的，意义不大。增加了高频带通、中频带通滤波器的接收机，由于带通滤波器的插入损耗，测试灵敏度会低一些，但是实际应用的效果会好很多。
现在国内的大多数无线通信设计工程师，由于在学校学不到相关知识，只能等待半导体生产商提供现成的集成电路接收机。但是，由于半导体集成电路受材料和内部空间的限制，目前还不远远可能做出与分立件带通滤波器相似的效果。这种等待是没有意义的。
一个产品，如果性能不如别人，就要被淘汰。
建议测试“相对灵敏度”指标，就是使用两个信号源，一个作为干扰源在相邻频道发射干扰信号，然后再测灵敏度。
b）        选择性----无线通信设计工程师必须非常熟悉邻道选择性、镜像选择性、中频选择性、通带阻带抑制比，通带矩形系数对接收机性能有什么影响，熟悉电路中什么零件会影响邻道选择性、镜像选择性、中频选择性、通带阻带抑制比、通带矩形系数指标。也必须熟悉滤波器的匹配、损耗和平坦度。后面将对这些指标解说。由于半导体集成电路受材料和内部空间的限制，半导体单片接收机一般采用“零中频”方案，所以半导体单片接收机的镜像选择性是没有的，阻带的抑制也是非常非常的小，生产商一般不敢给出选择性指标。
c）        基带保真度，这个指标主要受接收机的动态范围、线性指标、接收机的通带宽度、接收机的通带平坦度、解调失真度有关。
三大指标对接收机性能的影响：
灵敏度高，接收机接收小信号的能力就强，但是灵敏度是不能无限做高的，因为电磁波噪声也布满了空间。要提高有效灵敏度，必须要有很好的选择性。中远距离无人机的无线接收机，应该有高频带通滤波器、一中频带通滤波器、二中频带通滤波器，低频带通滤波器。基带保真度越高，接收机接收到的解调信号与发射端信号的一致性就高，对于数字信号，还可以通过软件（纠错编码）来提高基带保真度。
怎么提高接收机的性能？
1）        采用合适的滤波器。
采用合适的滤波器，可以将噪声压制，提高信噪比。也可以防止噪声正反馈造成自激振荡。
2）        不同频率的多级中频放大器。
中频放大器频率过高，成本就高，中频放大器频率过低，就无法压制镜像干扰（集成单片接收机采用的都是低中频，所以做不出高性能），另外同频中频放大器增益太高会自激，应该采用异频（例如75MHz、10.7MHz）中放1和中放2.
3）        采用低噪声高频放大器
为了降低本地噪声。
4）        采用高增益定向天线
为了降低噪声。
5）        精准的设计高频中频放大器的通频带
通频带宽了，背景噪声就大。通频带窄了，基带还原性就差，必须精准的设计高频中频放大器的通频带。
6）        降低本振噪声和降低混频噪声。
为了降低本地噪声。

*中小型无人机公司，如果都是采用集成化的部件，没有自己的特点，是竞争不过大公司的，
试一试和我们合作，生产出别人没有的产品，可能又是一片新天地。
后面还会有更详细的框图，更详细的指标，像金字塔一样，一步一步的对高性能的无线通信系统设计调试做由浅入深的解说。

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没有了“选择性”，信号就会被噪声淹没。选择性 很重要，通带/阻带 抑制比 很重要。这个是上面叙述的重点之一。

SEIREN

我还以为是无距科技

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一个无线接收机，是不是有了高增益低噪声射频（微波）放大器和中频低频放大器，再加上完美的高频、中频带通滤波器就性能很好了呢？
不是的，下面要提到的，是教科书上看不到的理念，有做出顶级无线通信机志向的同事们可以留意。
一般高性能的无线接收机，都有中频放大器，很可能是多中频放大器。每生成一个新中频，就需要一个本地振荡器，即：
F（本振）-F（信号）=F（中频）   
如果本地振荡器不干净，即不是单一的正弦波，掺杂了白噪声，就会在混频后变成和有用信号频率一样的背景噪声，顺利地通过后面的滤波器。
在多中频放大器中，由于本地振荡器比较多，滤除杂波的任务必须重视。
在MCU、PLL等数字电路，根据傅里叶级数分析，有大量的高次谐波存在，会影响VCO等其它电路，所以MCU和PLL电路应该单独屏蔽，远离小信号放大器。这也是集成单片接收机的性能总是低于分立件接收机的原因。
请记住我的忠告！

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有人说，我的单片接收机里面没有MCU。
PLL和VCO集成在一起一样是噪声大的根本原因。

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书上有的，学校里面可以学到的，这里就不细说了，大家可以看书自学，这里细述的是书上没有的。
下面继续论述如何去设计制作顶级的无线通信机。
关键还是把每一个细节做到最佳。下面再举一个例子。
混频器的理论是比较复杂的，涉及到多信号的非线性叠加的数学模型，下面告诉大家一个绕过复杂理论设计的方法，去得到最佳混频增益。
一）        给本机振荡器提供一个比较高的电压，例如8V-24V（注意OSC三极管耐压极限），而且选择好静态工作点（Ic0、Is0），保证有大强度本振输出，必要时应该增加放大级。
二）        对本机振荡器做屏蔽，防止本机振荡器的高次谐波干扰接收机的其它电路。
三）        加低通滤波器，把高次谐波滤除。
四）        加入一节或多节本振幅度衰减器（如下附图，同时兼备低通滤波和调节功能），通过实际调试得到最佳点。
五）        混频器前面应该加上高频放大器，防止本振信号通过接收天线对外辐射。
六）        调试时按测试灵敏度连接仪器，灵敏度最高点即最佳本振强度。

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书上有的，学校里面可以学到的，这里就不细说了，大家可以看书自学，这里细述的是书上没有的。
下面继续论述如何去设计制作顶级的无线通信机。
关键还是把每一个细节做到最佳。下面再举一个例子。
混频器的理论是比较复杂的，涉及到多信号的非线性叠加的数学模型，下面告诉大家一个绕过复杂理论设计的方法，去得到最佳混频增益。
一）        给本机振荡器提供一个比较高的电压，例如8V-24V（注意OSC三极管耐压极限），而且选择好静态工作点（Ic0、Is0），保证有大强度本振输出，必要时应该增加放大级。
二）        对本机振荡器做屏蔽，防止本机振荡器的高次谐波干扰接收机的其它电路。
三）        加低通滤波器，把高次谐波滤除。
四）        加入一节或多节本振幅度衰减器（如下附图，同时兼备低通滤波和调节功能），通过实际调试得到最佳点。
五）        混频器前面应该加上高频放大器，防止本振信号通过接收天线对外辐射。
六）        调试时按测试灵敏度连接仪器，灵敏度最高点即最佳本振强度。

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中远距离无人机无线通信系统框图及解说(续五)
下面继续叙述如何去设计制作出世界一流水准的无线通信机。
还是那句话，把每一个细节做完善了。当然，你应该掌握很好的无线电基础理论，书上有的你应该掌握，书上没有的你应该能悟出来。下面再举一个例子。
为什么有些军用电台或者雷达演习很好用，实战却不灵了。
为什么你的无人机在新疆飞得老远，在珠三角长三角就不行了？
这是因为你的无线通信机抗干扰能力不行。
要提高抗干扰性能，最重要的设计好滤波器。
为了共同的利益，大家也需要遵守中国无委会、CE、FCC标准，把自己产品发射的高次谐波、杂波抑制到符合标准，这个也需要设计好滤波器。
如果大家在研发部工作时间长了，也经常会听到研发骨干发出这样的感叹：“设计无线通信机，最难就是滤波器啊”。
的确，滤波器影响了通信机的主要指标。
要设计好滤波器，首先要掌握Q值、接入系数、矩形系数、通带阻带抑制比的概念和相互关系。
一）        Q值
1、Q的第一种意义：
谐振电路的通频带宽度Δf反比于谐振电路的Q值，即Δf=f0/Q；Q值越大，谐振电路的选择性越好。关于这第一种意义，不必过多说明，这是我们平时最常见的一种Q值的意义。
2、Q值的第二种意义：
一个谐振电路的品质因数（Q值）定义为：
            Q=2*pi*ws/WR
即Q值等于谐振电路中储存的能量与每个周期内消耗能量之比的2π倍。在谐振状态下：Ws不随时间变化，即谐振电路不与外界交换无功功率，就是在谐振状态下稳定的储存在电路中的电磁能，这些能量是在谐振电路开始接通时经历的暂态过程中由外电路输入给它的。达到稳定的振荡以后，为了维持振荡，外电路需要不断的输入有功功率，以补偿WR的损失，但在谐振状态下，无需供给无功功率，由此可见，Ws与WR之比反映了一个谐振电路储能的效率。
3、Q值的第三种意义：
串联谐振时，电容或电感元件两端的电压是总电压的Q倍，这便是Q的第三种意义。（并联谐振类似）
4、Q值的第四种意义：
串联谐振中，Q=sqrt(L/C)/R；
并联谐振中，Q=sqrt(C/L)/G。

*其实，简单的一句话，就是无功功率与有功功率的比值就好了。

二）        接入系数
抽头点电压与端电压的比。
从能量转移的理念来说，如果外电路呈R性，表达了外电路从滤波器中提取能量的比值。

三）        矩形系数
描述了截至频率处频率响应曲线的陡峭程度，指规定频率带宽与给定相对插入损耗的通带带宽的比值。

例如，如果通带波动允许3db，通带阻带抑制比57db，那么这种条件下的矩形系数也就是衰减60db和衰减3db时对应的带宽的比率。比率越接近1，矩形越陡峭。

注意了，图中公式的分子分母的单位是Hz。“BW”是英文“带宽”的缩写。
四）通带阻带抑制比
信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带;反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带，两者之间的衰减（增益）倍差，就是通带阻带抑制比，如下图所示：

好了，大家先熟悉这四个参数，后面将叙述怎么样在LC滤波器、微带滤波器、介质滤波器中恰当选择好这四个参数，以及利用参差调谐的方法，做出最好的无线通信机。

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工信部规定无人机使用频段

工信部近日根据《中华人民共和国无线电频率划分规定》及我国频谱使用情况，规定840.5-845MHz、1430-1444MHz和2408-2440MHz频段用于无人驾驶航空器系统。

以下为通知全文：

各省、自治区、直辖市无线电管理机构，相关单位：

为满足应急救灾、森林防火、环境监测、科研试验等对无人驾驶航空器系统的需求，根据《中华人民共和国无线电频率划分规定》及我国频谱使用情况，规划840.5-845MHz、1430-1444MHz和2408-2440MHz频段用于无人驾驶航空器系统。具体事宜通知如下：

一、使用频率：840.5-845MHz、1430-1444MHz和2408-2440MHz。

二、840.5-845MHz可用于无人驾驶航空器系统的上行遥控链路。其中，841-845MHz也可采用时分方式用于无人驾驶航空器系统的上行遥控和下行遥测链路。

三、1430-1444MHz频段可用于无人驾驶航空器系统下行遥测与信息传输链路，其中，1430-1438MHz频段用于警用无人驾驶航空器和直升机视频传输，其他无人驾驶航空器使用1438-1444MHz频段。


四、2408-2440MHz频段可作为无人驾驶航空器系统上行遥控、下行遥测与信息传输链路的备份频段。相关无线电台站在该频段工作时不得对其他合法无线电业务造成影响，也不能寻求无线电干扰保护。

五、上述频段的信道配置，所用无线电设备发射功率、无用发射限值和接收机的邻道选择性应符合相关要求(见附件)。

六、频率使用、无线电台站设置和所用无线电发射设备应符合国家无线电管理及无人驾驶航空器系统管理有关规定。

附件：无人驾驶航空器系统无线信道配置及无线电设备射频指标要求

工业和信息化部

2015年3月10日

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中远距离无人机无线通信系统框图及解说(续六)
把带通滤波器做好的技巧。
前面已经说过，评述无线接收机的基本性能，主要是三大指标：
一）        灵敏度。
二）        选择性。
三）        通频带。
怎么把灵敏度做高，我认为是比较简单的一件事情，通过降低前级噪声，提高变频信噪比，采用多中频技术，严格控制单级增益，屏蔽抑制由于高增益带来的正反馈就好了，本人在这方面有丰富的实践经验。
对于“通频带”和“选择性”，两者是相互关联的。通频带宽了，选择性必然就差了，这个选取必须精准。另外，决定“通频带”和“选择性”指标的Q值、矩形系数、带内波动和阻带抑制也是互相牵连的，而且不同频率，不同成本时要求也不同。这个设计就需要扎实的理论基础，实践经验和设计技巧了。
为了方便大家理解，我先把Q值、矩形系数、带内波动和阻带抑制的要点分开来给大家复习一遍。
一）        Q值
在“中远距离无人机无线通信系统框图及解说(续五)”中，已经对Q值做过解说，如图

如果需要很好的选择性，应该让Q值尽量的高。
但是，在实际应用中，有负载Q值一般选在80以下，主要目的是，在谐振回路零件参数漂移后，对接收机性能不产生太大影响。另外，如果Q值太高电路也容易自激振荡。
在实际应用中，谐振回路在前级后级电路的影响下，Q值一般都很低，一般都在20以下。如何提高选择性？提高下一节电路的输入阻抗非常重要，甚至采用失配的方法，让下一节电路从谐振回路少提取一些能量，牺牲增益来提高选择性。
高Q值可以提高选择性，高Q值也可以提高矩形系数。可以用双调谐和参差调谐的方法，提高矩形系数。
注意双调谐的回路谐振点是相同的F0，只是通过耦合系数不同而得到不同的矩形系数。下图中KQ为耦合系数，耦合系数越大，双峰特征越明显：

参差调谐与双调谐不同，回路谐振点是不一样的，F01不等于F02，例如，下图中F01=3.53M
F02=3.57M。
参差调谐的好处是，可以通过好多个谐振回路，构成宽带滤波器，而双调谐回路就不行。参差调谐的缺点是调谐有点麻烦，需要扫频仪或者网络分析仪的帮助。

不要小看传统的LC谐振回路，它有一个比现代工艺的声表滤波器、介质滤波器优越的特点，就是在离F0比较远的阻带，它的阻带抑制非常好。应该两者配合使用。
二）矩形系数
描述了截至频率处频率响应曲线的陡峭程度，指规定频率带宽与给定相对插入损耗的通带带宽的比值。

例如，如果通带波动允许3db，通带阻带抑制比57（60）db，那么这种条件下的矩形系数也就是衰减60db和衰减3db时对应的带宽的比率。比率越接近1，矩形越陡峭。

注意了，图中公式的分子分母的单位是Hz。“BW”是英文“带宽”的缩写。
按一）所述，通过双调谐、参差调谐、晶体滤波器、声表滤波器、介质滤波器等等，获得好的矩形系数。
矩形系数越接近“1”，滤波器的带内波动越小，对邻道干扰的抑制能力越强。
三）带内波动
当你的通频带带宽确定了以后，通频带内增益的变化就是带内波动。用扫频仪或者网络分析仪，可以帮助调整和观察带内波动。滤波器生产商也会给出详细的参数和图表。


又比如在下图，如果你的通频带是F2-F1的话，带内波动就是0.3倍（约3dB）。

由此可见，参差调谐的回路越多，带内波动就越小。
带内波动总是存在的，只要它对失真或者误码率的影响在你的容忍范围以内，并且留有余量，就行。
四）        阻带抑制
就是通带与阻带之间的增益差。明显的Q值越高，阻带抑制比就越大，如下图：


在接收机中通带是极窄的一段，阻带却无限宽，声表滤波器、介质滤波器在通带的邻近段有良好的通带阻带抑制比，在远端则不行，需要LC回路来补上。
显然，采用高Q值的参差调谐，是获得高的阻带抑制比的好办法。
五）        利用接入系数来调节参差调谐的带内波动
改变下图中C1C2的比值，就可以使这个谐振峰值改变.
同样，可以改变L1L2的比值改变谐振峰值。
调试中如果你想让某一点谐振峰降低，可以在该回路中并入电阻，注意会牺牲一点点增益。

下图是改变微带滤波器接入系数的示意图，同样可以改变Q值：
六）        结论
采用参差调谐的办法，可以同时化解选择性、通频带、矩形系数、带内波动之间的矛盾。
如果采用参差调谐和介质滤波器、声表滤波器配合使用的办法，将会得到更好的效果。
参差调谐虽然很好，但是有调试复杂的毛病，改变接入系数，可以使参差调谐的调试更加方便。
附件有详细的解说图表

ligong123456

学习了，谢谢！

lgq-2003

干货满满，多谢