Помеха

Цель

Для управления беспилотными объектами, типа коптер или самолётика, обычно используются узкополосные низкоскоростные модемы. Для передачи телеметрии и неспешных команд управления, вроде задания полётных точек по быстродействию этого вполне достаточно. В этих целях важнее, скорее, обеспечить бесперебойность канала управления, нежели гнаться за быстродействием, которое может измеряться секундами.

Типовым решением в данной области является использование всенаправленной антенны с интегрированного приёмопередатчика, типа sx1233, AX5043, на борту, и антенны с высоким коэффициентом усиления (КУ), типа волновой канал или клевер, на земле.

Пока есть прямая видимость все должно быть хорошо.

Но, как известно, не только земля не плоская, но и прямая видимость с достаточным бюджетом мощности ещё не гарантирует успешной связи. А виной тому, зачастую, бывают помехи.

Когда борт пролетает мимо мощного источника радиоизлучения с совпадающей частотой канала то на бортовую антенну оказывается воздействие, существенно превышающее сигнал от удалённого передатчика, и отфильтроваться полосовым фильтром оказывается невозможно.

Обзор электромагнитной обстановки

В данной ситуации красивым решением выглядит изменение диаграммы направленности бортовой антенны таким образом, чтоб источник помехи оказался в её минимуме. Именно во столько раз и будет ослаблен паразитный сигнал, хотя и связь в канале управления тоже может ослабнуть.

возможная ДН с четырьмя четвертьволновыми штырями

ДН можно вращать механически типа поворотного основания, но это неудобно для борта конструктивно и много весит. Гораздо интереснее попробовать электронное вращение ДН: подключить несколько антенных элементов через управляемый фазовращатель и максимально ослабить помеху противофазным их включением.

Вот это и попробуем.

Средства

В качестве антенны возьмём четыре (потому что больше трех) четвертьволновых (т.к. самое простое) штыря и разместим их на металлической пластине, по углам квадрата со стороной четверть длины волны.

Антена АФАР. В центре - антенна передатчика

Фазовращение осуществим в лоб, на AD8340. Полученные из каналов сигналы суммируем в один и отправляем на вход уже имеющегося приёмника, развёртку ДН осуществим микроконтроллером по максимуму отношения сигнал/шум (с/ш, SNR).

Структурна схема фазовращателя с предусилителем

Алгоритм простейший: поворачиваем максимум ДН до тех пор, пока лучше становиться, если перебор крутим в обратную сторону. Поскольку передача данных идут в пакетном режиме, то поворот делаем после каждого пакета, чтоб переходными процессами чего не испортить.

Расчёт фаз для суммирования каналов проведём на основании простейшей тригонометрии: по каждому из заданных направлений радиоволны должны распространяться синфазно. Т.е. фаза это проекция точки установки штыря на вектор направления луча.

Хинт: если из всех фаз вычесть одну их них то этот канал можно не управлять:)

График значений фаз для развёртки ДН

Проверка

То, что четыре канала приёма заведомо лучше одного фактом является очевидным. Это даёт, как минимум, разнесение антенн в пространстве (antenna diversity) и дополнительное усиление сигнала. Гораздо интереснее, получится ли режектировать точечный источник помехи.

Для начала задаём в ДН одно направление и снимаем по всем углам КУ полученной фиксированной антенны тихой комнате.

ДН АФАР при угле направления 0

Как видно, что-то кривенькое получилось.

Попробуем теперь полетать с помехопоставителем. В этом качестве возьмём какой-нибудь передатчик, чтоб можно было в нем задать частоту, полосу и мощность. Подадим все это на сильно направленную антенну и будем пересекать полученный луч на разных расстояниях.

Пример формирования тестовой помехи

Результаты

Если кратко то режекция одиночно источника помехи удалась.

Если более детально то немного не так, как ожидалось.

Предполагалось, что ДН будет иметь классический внешний вид с диаметральными минимум и максимумом. На само деле получилась достаточно кривая ДН, с паразитными минимумами. Благодаря простейшему алгоритму наведения они, рано или поздно, совпадали с помехой и существенно ослабляли её. В этот момент начиналось успешное прокидывание пакетов с данными, пока сама антенна на БЛА сравнительно медленно механически не отворачивалась (ветер, смена курса..). Если процессы наведения происходят достаточно быстро (несколько раз в секунду), то для оператора создаётся ощущение устойчивой связи с объектом.

Так же оказалось, что просто антенна это только часть большой системы из кабелей, разъёмов, элементов конструкции и погоды на марсе. Реальные ДН каждый раз получались разные, но обязательно с острыми минимумами. Но благодаря простоте алгоритма даже в таком виде это успешно работало.

Выводы

Для попробовать полученного дорогого, энергозатратного, тяжёлого и плохо воспроизводимого решения вполне достаточно. Но надо прикинуть, что в этом направлении можно сделать дальше.

Самым очевидным решением является реализация модема и фазовращателя с антеннами в виде отдельного изделия. Если в самом деле есть проблемы с помехами то идём на все эти жертвы. А если в глухой тайге полетать надо, то можно и со штырём управиться. К тому же весь этот агрегат, собранный на одной плате вместе с подложкой штырей, имеет шанс получить воспроизводимую ДН.

Так же на будущее можно подумать о замене прямого решения с микросхемами фазовращения, на изменение структуры приёмника, чтобы суммировать сигналы на промежуточной частоте. Формирование множества сдвинутых по фазе опор является стандартной задачей для современного high speed design, сами структуры гетеродинных и инфрадинных приёмников давно уже обкатаны, и более сложное по числу элементов решение может оказаться дешевле по элементной базе и энергопотреблению.

Ну и в качестве высшего пилотажа уже можно начать бороться с несколькими вредителями сразу. Для этого надо увеличивать число управляемых элементов и формировать ДН с несколькими контролируемыми вырезами, что даёт подавление нескольких источников шума по разным направлениям.