Радиосвязь-ликбез

Радиоуправление---автор Книжников ВВ

Радиоэфир или абсолютный космический вакуум (квантовый бульон)---это разновидность материи то есть универсальная среда или поле проводящая электромагнитные волны(расширяющийся теплород) и гравитация(схлопывающее давление)---- это разнонаправленные энергии в чистом виде, но при этом сам эфир полностью нейтрален типа ---не имеет массы, электрозаряда, магнитного поля(спин эффект) кроме одного свойства и размерности ----скорости распространения события 300 000 000 м/с!!!

Благодаря изобретению радио русским ученым Поповым на теории волн и антенн немецкого физика Герца появилась радиосвязь! Это основное дистанционное управление для большинства беспилотников на большие расстояния в десятки километров при направленных антеннах в прямой видимости между дроном и оператором!Весёлый радист----[1]

Ру условно делиться на аналоговый одноканальный радиосигнал типа амплитудная модуляция-АМ, частотная-ЧМ, фазовая, широтно-импульсная-ШИМ и 
"цифровой" импульсный сигнал с двоичным кодом, прыгающий по каналам (4--40)шт и своим протоколом связи типа дуплекс ---широкополосная!

Аналоговое ру применяется в гражданском исполнении типа моделей и игрушек при гарантированной дальности связи до пары километров на приёмнике -супергетеродине и занимает всегда конкретный канал разрешенного радиодиапазона 27--28Мгц, 35--40Мгц и при непрерывном одностороннем излучении передатчиком радиоволны мощностью 50--500 мвт! Длина антенны-уса приёмника обычно 1м и чтобы повысить чувствительность рекомендуется к минусу подключить противовес тоже длиной 1м и усы расположить вдоль консолей крыла!!!

Цифровое ру применяется для профессиональных задач, где требуется повышенная помехо-защищённость двухстороннего канала связи с возможностью приёма телеметрической информации с борта дрона помимо самого удаленного ручного управления! Принцип обмена данными между передатчиком и приёмником по принципу вай-фай связи между радио-модемами с мощность излучения 10--1000мвт! Мощность излучения можно замерить лампочко-тестером с усиками в 1/4 лямбда=0.25 длина волны! Разрешённый диапазон 433Мгц, 900Мгц и 2.4Ггц, 5.8Ггц----чем выше частота прыгающих каналов, тем шире пропускная способность радиоканала от сотен килобит в секунду до нескольких мегабит! Существует несколько стандартов протокола связи в гражданском использовании, каждый со своей математикой шифра(код) и поэтому они не видят друг друга даже в одном радио диапазоне.

Принцип работы любого цифрового радиолинка---это получение пакета информации с контрольной суммой битов и своей оригинальной цифровой меткой, если во 
время приёма приходит "битый" пакет или чужой пароль, то микропроцессор просто игнорирует телеграмму и на выходе идёт предыдущая информация по 
каналам управления ру или видеокадр, поэтому всегда присутствует задержка в отличии от аналога, где любая помеха выдаётся как истинный пакет команд и 
система мгновенно отрабатывает ложный сигнал---- дергание рулевых машинок ру или полосы при аналоговом телевидении!!! 

Микроприёмники массой менее 10г обычно односторонней связи----телеметрические ру приёмники типа дуплекс более громозские, но и более чувствительные, надежные и помехозащищённые! Сейчас китайская промышленность стала выпускать дешёвые бескорпусные нано-приёмники ру массой менее 1г без антенны и разъёмов, под прямую пайку со "сбас" протоколом для паркфлаев, но проблема в том что там полностью отсутствует входной каскад усилителя ВЧ на транзисторе и антенна подключается напрямую к АЦП контроллера---- в результате чувствительность самого нано-приёмника всего 90-92дб вместо нормального формакора и схемотехники в 110--112дб, а это потеря дальности связи в 9--11 раз !!!

Видео-передающее оборудование работает по тем же принципам, что и радиоуправления!

Дальность устойчивого приёма видео-картинки это появление первых снежинок-черточек при аналоге---что в ТРИ раза меньше предельной или 10дб!!!

Пульт управления состоит из электромеханической части---джойстик-штурвал 2 шт,кнопки триммеров 4шт,тумблера дискретных команд 2--6шт,боковых крутилок и электронной платы сумматор-шифратора низкочастотного ШИМ-сигнала, передающий ВЧ блок иногда быстросъёмный, ЖК-дисплей меню настроек, аккумулятора!

РУ через мобильную сотовую связь---[2]
  

Радиопередатчик

Высокочастотный блок состоит из тактового генератора на десятки мегагерц, множителя частот, выходного каскада усилителя мощности и антенны до 2вт излучения при полном КПД радио передатчика всего 25--30%!

Радиоприёмник

Главная хар-ка приёмника это чувствительность----у цифровых радиоуправляемых доходит до -115дб, у телевизионных аналоговых до -95дб!!!

Чувствительность приёмника сильно портится загрязнением эфира в радиодиапазоне приёма-----например ру на 2.4Ггц и мобильный вай-фай друг друга глушат и дальность связи резко падает в городских условиях в 2--4 раза по сравнению с сельской и не заселённой местностью типа тайга, пустыня или тундра-----поэтому надо искать чистый диапазон в эфире! Если уровень помех в том же диапазоне -100дб,то реальная чувствительность приёмника будет тоже -100дб вместо заявленных -112дб замерянных в лабораторных условиях глухой радио эхо камеры!потеря в 12дб чувствительности эквивалентно уменьшению дальности приёма в 4 раза!!!

Например в городе дальность видеосвязи на 5.8Г при мощности излучения  25 мвт не превышает 400м в прямой видимости, а за городом уже 800м, в 
малонаселенной глуши или на вершине холма уже 1600м----при 1.2Г дальность пропорционально вырастит в 3 раза!!!
 

Чувствительность приёмника проверяется без антенны на малой мощности передатчика----при 0.1 мвт излучения должна быть дальность приёма не менее 10--15 метров! Саму приёмную антенну подбирают к конкретному приёмнику тем же методом----дальность должна быть не менее 30--50м!

Простые приёмники бывают с одной приёмной антенной, вч блоком и дешифратором и сложные типа диверсити с двумя и более принимающими каскадами----несколько антенн и вч блоков и одним контроллером на базе микрочипа, который определяет самый чистый и мощный радиосигнал приходящий на разное расположение диаграмм, дешифратором ШИМа на каналы ! Сейчас по мимо низкочастотного восьмиканального шима для управления электроприводов с приёмника стали применять цифровые стандарты типа сбас для увеличения каналов связи до двадцати----- возможность сразу управлять большим кол-вом функций и исполнительных механизмов одновременно! Но на практике сразу использовать более 5--6 команд в ручном управлении одним оператором не получается-----поэтому большими беспилотниками управляют два-три человека, это пилот отвечающий только за вождение дрона, наводчик систем видеонаблюдения и оружия, машинист манипулятора и других функций! А бортовая автоматика помогает разгрузить одновременную многозадачность операторам дронов!

Исторически напряжение питания сложилось на номинал в 5 вольт при возможном диапазоне 4-6в для питания рулевых машинок напрямую с шины приёмников! Но теперь есть линейки приёмников ру с диапазоном питания 3--35в!

Внимание----обычно приёмники идут в пластмассовом корпусе и попытка их заэкранировать металлическим заземленным корпусом вызывают расстройства вч контуров на плате!

Современный электронный блок радиомодема на протоколе радиосвязи "Лора" представляет специализированный ЧИП с Мега или Гига герцовыми АЦП и ЦАП и ПО типа "опен-ресурс"------поэтому один и тоже блок может быть запрограммирован как приёмник или передатчик!!!программно назначается рабочая частота радиосвязи и физически подключается нужная настроенная антенна типа диполь Герца на вход АЦП при режиме приёмника и на выход ЦАП в случае передатчика!

для продвинутых программистов как сместить диапазон РУ на протоколе "Лора"----[3]

Радиомаяк

В случае аварии дрона на маршруте и его не возврате на базу всегда активируется аварийный автономный радиомаяк, работающий в импульсном режиме до одной недели -----есть два вида

1) жпс-трекер посылающий смс сообщение по сотовой связи на мобильный телефон с текущими координатами маяка!

2) радиожучок с встроенным жпс приёмником работающий обычно в диапазоне 433Мгц на любительские цифровые радиостанции с синтезатором речи, проговаривающим текущие координаты!

Принцип локации, как у охоты на лис---если при аварии видеолинк не отключился на борту, то можно также засечь азимут потеряшки по силе сигнала на направленную антенну видеоприёмника и идти на цель постепенно уменьшая чувствительность ручной настройкой канала!

Причины применения ретранслятора

В условиях плохого приема радиосигналов с борта дрона применяется высотный ретранслятор на базе аэростата или коптера на привязи от наземного источника питания(бензогенератор)---- причин слабого сигнала множество

1) слишком большое удаление дрона от базы!

2) выход дрона из зоны Френеля, где диаграмма приёма у экрана земли выглядит как яйцо в космос, вместо бублика на высоте!

3) вход дрона в зоны радио аномалий типа залежи подземных руд, железнодорожные линии электропоездов, линии электропередачи высокого напряжения, большие отдельно стоящие металлоконструкции в виде ангаров, мостов, небоскребов, башен, труб, кораблей, вышек сотовой и радиорелейной связи!

4) большая напряженность радиопомех в зоне мегаполисов от мобильной связи и вай фай интернета!

5) работа дрона на малой высоте или на поверхности земли или воды, а также в лесистой местности!

6) выход дрона из зоны прямой видимости сну по причине радиотени от строений, холмов и деревьев!

7) наличие на маршруте зон с открытой дуговой электросваркой и искрообразования от контактно-проводного электротранспорта типа троллейбус, трамвай, электричка, как источников широко-импульсной радиопомехи!

8) интерференция радиоволн в зоне приема на земле от всех отражающих поверхностей с электропроводящими свойствами типа зелёной кроны деревьев, металлопластиковые заборы, рекламные щиты и окна,висящие провода, железобетонные фасады строений----

это всё так называемое радиоболото, где сильно вязнет радиосигнал в 10раз---на один порядок ослабление напряжённости поля радиоволн !

смысл поднятия ретранслятора на высоту 100-300 метров это попасть в зону прямой видимости с дроном---чем выше , тем устойчивее радиосвязь!

это полный эквивалент вышек сотовой связи,городских телебашен или вершина голой горы или холма! 

Связки диапазонов радиоканалов

Если видеолинк между дроном и ретранслятором в диапазоне 1.2 ггц, то передача на сну всегда в другом диапазоне например 2.4 или 5.8 ггц ----- главное чтоб гармоники сигналов с ретранслятора на сну и на дрон не попадали на частоты каналов приёма! При ручном управлении дроном со сну вне режима автопилотирования по программе диапазон ру или радиомодема также должен быть разным --- например с земли идёт связь по 35--40 мгц на ретранслятор, а на дрон уже 433 или 900мгц! Для увеличения пробивной дальности видеолинка и радиоуправления на ретрансляторе используются направленные антенны типа яги ортогонально расположенных друг к другу с минимальной боковой парусностью! При цифровом линке на борту дрона достаточно одной антенны для передачи видео, телеметрии и команд управления по принципу вай-фая на ретранслятор, а затем на компьютер сну!

Разновидностью ретранслятора является летающий видео-сканер на базе маленького квадрокоптера для контроля других бпла в ближнем пространстве ----достаточно подняться выше окружающих домов в городе или деревьев в лесу на высоту 100--150 метров и просканировать весь диапазон видеолинка!

Дальность радиосвязи

Напряжённость электромагнитного поля волны обратно пропорционально расстоянию, а вот мощность излучения падает в квадрате от расстояния!!!!

Где степень напряжённости 20lg(U/Uо)=20дб эквивалентно 10 кратному усилению замеренному на расстоянии в 1 метр от излучателя----

0дб=усиление в 1----1дб=1.1----2дб=1.25----3дб=1.4----4дб=1.6----5дб=1.8----6дб=2----10дб=3.2----18дб=8, экв32дб=20дб+12дб=10х4=40

Степень мощности  излучения принято как 10lg(Р/Ро)=10дбм эквивалентно 10мвт ----

1мвт=0дбм, 10мвт=10дбм, 100мвт=20дбм, 1вт=30дбм, 10вт=40дбм

Так называемый бюджет линии обеспечивает предельную дальность устойчивой связи между передатчиком и приёмником в пространстве дальнего космоса, как сумма логарифмов в децибелах мощности излучения, коэф.усиления антенны передатчика №1, коэф.чувствительности приёмника и коэф.усиления антенны №2 для чистого космического вакуума, он же эфир!

Кбюд = излучение Tx(Ку.мощ+Ку.ант1)+чувствительность Rx(Ку.чув+Ку.ант2) = Ку.м+Ку.1+Ку.пр+Ку.2-----считаются модули чисел при сложении!!!

Возможность реальной дальности это разница бюджета линии связи и коэф. поглощения энергии волны атмосферой (молекулами газов сухого воздуха)!

Поглощение сигнала сильно зависит от погодных условий типа тумана, осадков и магнитных бурь, а также наличие листвы на деревьях и интерференции 
прямого и отраженного сигнала от экранирующих поверхностей типа земля, вода, строения, горы---зона Френеля!

Тогда при реальном поглощении атмосферой Земли в прямой видимости с учётом запаса на сигнал-шум 6 дб----

Кпог=45дб для 433М

Кпог=50дб для 1.2Г

Кпог=55дб для 2.4Г

Кпог=60дб для 5.8Г!!!

Расстояние связи в км l=1км х эквивалент (Кдал)---- Кдальности(дб)=(Кбюд-Кпог-60дб), где -60дб или (10)^3=1 000 кратного ослабления-затухания эквивалентно 1км дальности в вакууме!

При ру 2.4Г мощностью 100мвт или Ку.м=20дбм и стандартной чувствительностью Ку.пр=105дб на диполях по 2дб получаем бюджет линии Кбюд=20дбм+2дб+105дб+2дб=129дб и около Кдал=129дб-55дб-60дб=14дб, тогда предел дальность l=1км х (экв14дб)=1км х экв(6дб+6дб+2дб)=1км х (2х2х1.25)=5 км! на голой горке за городом!!!

Например с видео-передатчиком 1.2Г мощностью 1 вт или Кум =30дбм и диполе Ку.1=2дб при чувствительности стандартного видеоприёмника Купр= 90дб и направленной антенны типа пятиэлементной уда-яги Ку.2=10дб получаем Кбюд=132дб -------- тогда Кдал=132дб-50дб-60дб=22дб или l=1км х экв(22дб)=12.5км! ---рекомендуемая высота перепада это 1/10 расстоянию--- предел устойчивой видео-картинки на подстилающей поверхности на высоте 1.2км!

Для сравнения в открытом космосе,где нет паразитного поглощения среды, дальность того же комплекта была бы в 320 раз больше или 4000км!!! Например на высоте 40 тысяч км висят спутники-ретрансляторы геостационарной орбиты для трансляции спутниково телевидения на планету Земля.При запасе двух-трёх мощностей для пробивания сигналом 100 км атмосферы направленное радиоизлучение покрывает до четверти поверхности планеты---- приёмная тарелка телевизора с острой диаграммой направлена строго на спутник в зоне прямой видимости! Чем острее луч диаграммы, тем выше коэф. усиления антенны!!!

Постоянная Больцмана при температуре приёмника 293К=+20С -----это тепловой шум (ик-волны)фон= -120дб!!!
поэтому входные каскады приёмников дальней космической связи сильно охлаждают чтобы повысить чувствительность!

Где все? космос с точки зрения радиоастрономии

От Солнца до ближайшей звезды 4.2 световых года или 4х(10)^13 км!!! если рассчитать бюджет двухсторонней радио линии между нами и мнимыми туземцами , то это не менее 330 дб---- чудовищно мощная и крупногабаритная радио-аппаратура, например наземные станции космической связи только в пределах нашей солнечной системы радиусом всего 4 х(10)^10 км это целое здание плюс очень узко направленная антенна типа тарелки диаметром пару-тройку десятков метров !!! А теперь представим , что ближайшая разумная цивилизация нашего уровня находится в 1000 световых годах!!!одним словом чтобы послать им радио сигнал нужной мощности сравнимой с излучением карликовой звезды у нас просто нет такого оборудования !

Самые распространенные связки антенн для дальней связи на десятки километров с беспилотником ------

1) при вертикальной поляризации коаксильный диполь или V-антенна 2--2.5 дб с диаграммой "бублик" или коллинеар 4--5дб "блин" с стороны дрона и направленные антенны типа патч 8-10дб или волновой пяти-элементный канал 10--11 дб(она же Уда-Яги) со стороны СНУ!

2) при круговой поляризации левого и правого вращения хороши клевер 1.5дб с диаграммой "пышка" и семи-восьми витковый хеликс 10--12дб!

3) также применяются антенны би-квадрат 10дб, вивальди 8дб на приём и грибок-пагода 5дб на передачу!

4) в особых случаях сверхдальней связи на сотни километров применяют станции с направленными антенн-трекерами на борту дрона и на СНУ отражатель типа параболитическая тарелка постоянно нацеленных друг в друга в автоматическом режиме слежения!

подробнее смотри статью "типы антенн"

Ограничение

Чтобы ресурс радиопередатчика был большим, требуется хорошее охлаждение электронной платы вч блока радиатором, согласованная антенна и дефорсирование по удельной мощности излучения----удельная мощность потребления не должна превышать 0.1 вт/г! например-----честная потребляемая мощность передатчика при КПД изл= 25% при массе 30г не более 30х0.1=3вт внутри корпуса бпла! это всего четверть на выходе и 750 мвт излучения при токе потребления 3вт/12в=0.25а!

смотри статью "радиопомехи"