关于无人机的遥控信号的分析和介绍

既然是要讲跳频技术了，我们的进阶也来个跳得猛的，没有过渡，直接“由俭入了奢”，从那个入门级的直升机玩具的遥控器直接跳到专业级的遥控器 --- 带跳频的2.4GHz的Futaba T8FG！

FutabaT8FG 是Futaba公司的一款高端产品，工作在2.4GHz的ISM频段，采用了FASST技术，(FutabaAdvanced Spread Spectrum Technology)，收发器配对之后，可以按同样的节奏，在很宽的频率范围内以2ms的间隔快速跳频。它还具有预先搜索是否有信道被占用等功能，遥控距离可以达到2公里以上。玩儿竞技型的高速无人机，很讲究操控的实时性和可靠性，控制信号一旦被阻断或被干扰，后果可能很严重。我所见到过的大大小小，不管是固定翼还是旋翼的无人机，凡是对可靠性和操控性要求比较高的，都在使用Futaba的遥控器。

图1：专业级航模+专业级遥控器

图2：专业级遥控器的测量设置

很好奇它发出的遥控信号又是怎样一番景象？微测一下就知道了！因为要测2.4GHz的信号，这次的微测使用了一台RIGOL的频谱分析仪DSA875，它的测量范围是9kHz到7.5GHz。找了一根2.4GHz的天线，工作的频率范围与遥控器的天线正好对上，测量设置如图2所示。

把频谱分析仪的频率范围设置为起始频率2.38GHz,终止频率2.5GHz,遥控器不开机，先检查一下这个频段的背景信号，看看我周围有没有其他的信号也出现在这个频段上，通过图3可以看到，的确有几个鼓包，查了一下，这几个信号应该都是我周围的WLAN信号。把这个背景信号的轨迹存起来，以便后续做比对，区分信号用。

图3：检查这个频段的背景信号

接下来，遥控器开机，这时在频谱分析仪的屏幕上马上能看到冒出来的信号，它是忽左忽右，跳来跳去，而且跳得还挺快！如图3所示，看来这就是传说中的跳频信号。通过峰值标尺测一下在某个时刻抓到的一个谱，它的频率是2.4644GHz,功率是-9.62dBm，如图4所示。

图4：遥控器的开机后的信号

浏览了一下遥控器的菜单设置，发现有个关于频率的设置，如图5,6所示，可以在“GENERAL”和“FRANCE”之间选择。

图5：频率设置

图6：频率设置

为了观察遥控器跳频的频率范围，采用了频谱仪的最大保持功能，由于这个信号跳得很快，如果频谱仪的扫描速度也能足够快，就不会丢信号。我把DSA875设置成扫描时间是1ms,抓这个快速跳频的信号够用了，所以没过多长时间，就能清楚地看到这个遥控器的频率变化范围：它的信号基本上以2.44GHz为中心，左右一共占用了将近74MHz的频谱宽度，如图7所示，跳得够快，也够宽的。

图7：跳频信号占用的频谱总宽度

它一共有多少个信道？从图8可以清楚地数出来，左起的第一个信道的中心频率是2.0455GHz,往右数，最右边的信道的中心频率是2.477GHz, 一共有36个信道。

图8：总共拥有36个信道

图9：最右边的信道的中心频率是2.477GHz

从图10可以看出每个信道的宽度是~2MHz，这与遥控器给的指标也一致。

图10：每个信道的宽度是2MHz

展开，看看每个信道的具体分布情况，一个个相间排列，如图11所示。汽车要变道还得一条一条地跨越，而这遥控器发出的跳频信号能在这36条道之间“随意变道”，经常是一下跳越若干条道，你想“跟车”？很难。所以，发生“撞频”的概率大大降低了。

图11：展开看每个信道的频谱

这是在“GENERAL”模式下的频谱情况，查了一下产品的指标，在这个通用模式下，它的工作频率范围是 2405.376MHz - 2477.056 MHz。在欧洲的很多国家，对2.4GHz的ISM频段的使用有他们的规定，只能使用2407.424- 2450.432 MHz这个频段。好，现在切换到“FRANCE”模式，看看频谱的实际情况如何。

图12：“FRANCE”模式下的频谱分布

从图12 可以看出，与通用模式相比，“FRANCE”模式在最左侧少了一个信道，在右侧少了一堆的信道，数了数，一共少了14个信道，看来在欧洲的一些国家，像法国，奥地利，意大利，比利时，俄罗斯等国家，只能用其中的22个信道，否则可能就会有人管你了，欧洲人民不爽也没办法。

当使用这个遥控器去控制一架新的飞机时，为了更好地进行匹配，确保无人机受控，厂家建议用户最好要先进行“RangeChecking”：把无人机放置在一个距离地面1到1.5米的塑料或木质的桌子上，打开 “RangeChecking”模式，此时的遥控器的发射功率会比正常工作时降低，操作者拿着遥控器缓慢走远到大概30到50米的位置，如果还能正常控制无人机，说明距离检测通过。

通过频谱仪，可以观测一下在这个模式下的发射信号的情况。如图13所示，打开遥控器的“Range Checking”模式。

图13：打开遥控器的“RangeChecking”模式

此时遥控器进行90秒的“RangeChecking”，通过频谱仪记录下这个过程中的信号的频谱情况，发现频率范围没变，但功率明显降低了20dB，也就是发射功率仅为正常工作模式下的100mW的1%，大约1mW。此时的有效遥控距离只相当于正常距离的 1/10，遥控距离会大大缩短，所以，使用说明书上告诫使用者千万不要在这个模式下去操控飞机，否则会跑丢的。90秒结束，信号的功率又自动回复到正常水平。

图14：遥控器的“RangeChecking”模式下发射功率降低20dB

既然是跳频信号，好奇它在时域的表现。通过解调，可以看到这个信号的一个时隙大概是2ms,如图15所示。

图15：跳频信号的一个时隙

展开，还可以大致看看跳频信号所携带的基带调制信息，如图16所示。

图16：跳频信号的基带调制信号

还可以通过“瀑布图”显示方式来看看跳频信号的频率随着时间的变化趋势，如图17所示。

图17：使用瀑布图观察跳频信号的跳频规律

以上，我们对这个专业级的带跳频的2.4GHz的Futaba T8FG遥控器进行了微测，与上一个入门级的遥控器相比，信号复杂多了吧。它的遥控信号可以在74MHz的频率范围内按自己的规律跳频，除非你摸到了它的跳频规律，进行同频段同步干扰，要么就进行整个74MHz频段的宽频范围全覆盖，高功率干扰，否则很难干扰它，这种技术可以在比较复杂的电磁环境下使用，即使多人同时使用同样的遥控器，发生“撞频”的概率也极低。另外，快速跳频，2ms的时隙，玩儿竞技航模，很讲究舵机的遥控反应速度，这种遥控器能很好地满足专业人士的需求。