關(guān)于無人機(jī)的遙控信號的分析和介紹

既然是要講跳頻技術(shù)了，我們的進(jìn)階也來個跳得猛的，沒有過渡，直接“由儉入了奢”，從那個入門級的直升機(jī)玩具的遙控器直接跳到專業(yè)級的遙控器 --- 帶跳頻的2.4GHz的Futaba T8FG！

FutabaT8FG 是Futaba公司的一款高端產(chǎn)品，工作在2.4GHz的ISM頻段，采用了FASST技術(shù)，(FutabaAdvanced Spread Spectrum Technology)，收發(fā)器配對之后，可以按同樣的節(jié)奏，在很寬的頻率范圍內(nèi)以2ms的間隔快速跳頻。它還具有預(yù)先搜索是否有信道被占用等功能，遙控距離可以達(dá)到2公里以上。玩兒競技型的高速無人機(jī)，很講究操控的實時性和可靠性，控制信號一旦被阻斷或被干擾，后果可能很嚴(yán)重。我所見到過的大大小小，不管是固定翼還是旋翼的無人機(jī)，凡是對可靠性和操控性要求比較高的，都在使用Futaba的遙控器。

圖1：專業(yè)級航模+專業(yè)級遙控器

圖2：專業(yè)級遙控器的測量設(shè)置

很好奇它發(fā)出的遙控信號又是怎樣一番景象？微測一下就知道了！因為要測2.4GHz的信號，這次的微測使用了一臺RIGOL的頻譜分析儀DSA875，它的測量范圍是9kHz到7.5GHz。找了一根2.4GHz的天線，工作的頻率范圍與遙控器的天線正好對上，測量設(shè)置如圖2所示。

把頻譜分析儀的頻率范圍設(shè)置為起始頻率2.38GHz,終止頻率2.5GHz,遙控器不開機(jī)，先檢查一下這個頻段的背景信號，看看我周圍有沒有其他的信號也出現(xiàn)在這個頻段上，通過圖3可以看到，的確有幾個鼓包，查了一下，這幾個信號應(yīng)該都是我周圍的WLAN信號。把這個背景信號的軌跡存起來，以便后續(xù)做比對，區(qū)分信號用。

圖3：檢查這個頻段的背景信號

接下來，遙控器開機(jī)，這時在頻譜分析儀的屏幕上馬上能看到冒出來的信號，它是忽左忽右，跳來跳去，而且跳得還挺快！如圖3所示，看來這就是傳說中的跳頻信號。通過峰值標(biāo)尺測一下在某個時刻抓到的一個譜，它的頻率是2.4644GHz,功率是-9.62dBm，如圖4所示。

圖4：遙控器的開機(jī)后的信號

瀏覽了一下遙控器的菜單設(shè)置，發(fā)現(xiàn)有個關(guān)于頻率的設(shè)置，如圖5,6所示，可以在“GENERAL”和“FRANCE”之間選擇。

圖5：頻率設(shè)置

圖6：頻率設(shè)置

為了觀察遙控器跳頻的頻率范圍，采用了頻譜儀的最大保持功能，由于這個信號跳得很快，如果頻譜儀的掃描速度也能足夠快，就不會丟信號。我把DSA875設(shè)置成掃描時間是1ms,抓這個快速跳頻的信號夠用了，所以沒過多長時間，就能清楚地看到這個遙控器的頻率變化范圍：它的信號基本上以2.44GHz為中心，左右一共占用了將近74MHz的頻譜寬度，如圖7所示，跳得夠快，也夠?qū)挼摹?/p>

圖7：跳頻信號占用的頻譜總寬度

它一共有多少個信道？從圖8可以清楚地數(shù)出來，左起的第一個信道的中心頻率是2.0455GHz,往右數(shù)，最右邊的信道的中心頻率是2.477GHz, 一共有36個信道。

圖8：總共擁有36個信道

圖9：最右邊的信道的中心頻率是2.477GHz

從圖10可以看出每個信道的寬度是~2MHz，這與遙控器給的指標(biāo)也一致。

圖10：每個信道的寬度是2MHz

展開，看看每個信道的具體分布情況，一個個相間排列，如圖11所示。汽車要變道還得一條一條地跨越，而這遙控器發(fā)出的跳頻信號能在這36條道之間“隨意變道”，經(jīng)常是一下跳越若干條道，你想“跟車”？很難。所以，發(fā)生“撞頻”的概率大大降低了。

圖11：展開看每個信道的頻譜

這是在“GENERAL”模式下的頻譜情況，查了一下產(chǎn)品的指標(biāo)，在這個通用模式下，它的工作頻率范圍是 2405.376MHz - 2477.056 MHz。在歐洲的很多國家，對2.4GHz的ISM頻段的使用有他們的規(guī)定，只能使用2407.424- 2450.432 MHz這個頻段。好，現(xiàn)在切換到“FRANCE”模式，看看頻譜的實際情況如何。

圖12：“FRANCE”模式下的頻譜分布

從圖12 可以看出，與通用模式相比，“FRANCE”模式在最左側(cè)少了一個信道，在右側(cè)少了一堆的信道，數(shù)了數(shù)，一共少了14個信道，看來在歐洲的一些國家，像法國，奧地利，意大利，比利時，俄羅斯等國家，只能用其中的22個信道，否則可能就會有人管你了，歐洲人民不爽也沒辦法。

當(dāng)使用這個遙控器去控制一架新的飛機(jī)時，為了更好地進(jìn)行匹配，確保無人機(jī)受控，廠家建議用戶最好要先進(jìn)行“RangeChecking”：把無人機(jī)放置在一個距離地面1到1.5米的塑料或木質(zhì)的桌子上，打開 “RangeChecking”模式，此時的遙控器的發(fā)射功率會比正常工作時降低，操作者拿著遙控器緩慢走遠(yuǎn)到大概30到50米的位置，如果還能正常控制無人機(jī)，說明距離檢測通過。

通過頻譜儀，可以觀測一下在這個模式下的發(fā)射信號的情況。如圖13所示，打開遙控器的“Range Checking”模式。

圖13：打開遙控器的“RangeChecking”模式

此時遙控器進(jìn)行90秒的“RangeChecking”，通過頻譜儀記錄下這個過程中的信號的頻譜情況，發(fā)現(xiàn)頻率范圍沒變，但功率明顯降低了20dB，也就是發(fā)射功率僅為正常工作模式下的100mW的1%，大約1mW。此時的有效遙控距離只相當(dāng)于正常距離的 1/10，遙控距離會大大縮短，所以，使用說明書上告誡使用者千萬不要在這個模式下去操控飛機(jī)，否則會跑丟的。90秒結(jié)束，信號的功率又自動回復(fù)到正常水平。

圖14：遙控器的“RangeChecking”模式下發(fā)射功率降低20dB

既然是跳頻信號，好奇它在時域的表現(xiàn)。通過解調(diào)，可以看到這個信號的一個時隙大概是2ms,如圖15所示。

圖15：跳頻信號的一個時隙

展開，還可以大致看看跳頻信號所攜帶的基帶調(diào)制信息，如圖16所示。

圖16：跳頻信號的基帶調(diào)制信號

還可以通過“瀑布圖”顯示方式來看看跳頻信號的頻率隨著時間的變化趨勢，如圖17所示。

圖17：使用瀑布圖觀察跳頻信號的跳頻規(guī)律

以上，我們對這個專業(yè)級的帶跳頻的2.4GHz的Futaba T8FG遙控器進(jìn)行了微測，與上一個入門級的遙控器相比，信號復(fù)雜多了吧。它的遙控信號可以在74MHz的頻率范圍內(nèi)按自己的規(guī)律跳頻，除非你摸到了它的跳頻規(guī)律，進(jìn)行同頻段同步干擾，要么就進(jìn)行整個74MHz頻段的寬頻范圍全覆蓋，高功率干擾，否則很難干擾它，這種技術(shù)可以在比較復(fù)雜的電磁環(huán)境下使用，即使多人同時使用同樣的遙控器，發(fā)生“撞頻”的概率也極低。另外，快速跳頻，2ms的時隙，玩兒競技航模，很講究舵機(jī)的遙控反應(yīng)速度，這種遙控器能很好地滿足專業(yè)人士的需求。