謝波

目前，使用無線通信技術(shù)的航模遙控器面臨的最大挑戰(zhàn)就是信號(hào)干擾問題。所謂無線通信，就是把想要傳遞的信息如聲音、圖像等加載到高于自身頻率的載波上并通過天線傳遞出去。為什么不直接將信息無線傳遞而要通過高頻載波呢？這是因?yàn)樵趥鬟f不同信息時(shí)，頻率越低波長(zhǎng)越長(zhǎng)，所需的發(fā)射天線也越大。以20kHz頻率為例，由于其波長(zhǎng)為15 000m，所需的發(fā)射天線將是一座巨塔，因此必須將聲音信號(hào)加載到更高的頻率上，才能減小天線尺寸。這個(gè)過程被稱為調(diào)制。

一、無線信號(hào)調(diào)制的基礎(chǔ)知識(shí)

1.模擬信號(hào)調(diào)制

模擬信號(hào)調(diào)制的方法有幾種，分別為FM（頻率調(diào)制）、AM（幅度調(diào)制）和PM（相位調(diào)制）。以收音機(jī)為例，將幾十kHz的聲音傳遞出去的信號(hào)被稱為基帶，而將其加載的載波頻率如89.8MHz稱為頻帶。當(dāng)使用FM時(shí)，其載波頻率隨基帶信號(hào)頻帶的不同而改變，日常使用時(shí)，可通過變換頻帶切換不同的聲音信號(hào)。當(dāng)使用AM時(shí)，載波的頻率保持不變，而振幅將隨基帶信號(hào)幅度大小同步變化，可通過調(diào)幅來區(qū)分不同信號(hào)源。其傳播距離較FM更遠(yuǎn)，常用于電視圖像信號(hào)的傳遞。PM的調(diào)制與FM有關(guān)，是利用載波的相位與參考相位的偏離值隨調(diào)制信號(hào)的瞬時(shí)值呈線型比例關(guān)系變化的調(diào)制方式。

早期的航模遙控器多采用FM調(diào)制方法，所用的頻段主要有35MHz、40MHz、72MHz，且每個(gè)頻段的帶寬僅為1MHz。由于帶寬較小，很容易出現(xiàn)頻率“撞車”的情況，因此更大帶寬的數(shù)字信號(hào)調(diào)制技術(shù)成為了遙控器發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2.數(shù)字信號(hào)調(diào)制

數(shù)字信號(hào)是將連續(xù)信號(hào)編碼成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制數(shù)字0和1。它的基帶信號(hào)由模擬改為數(shù)字，對(duì)應(yīng)關(guān)系分別為AM-ASK（幅移鍵控）、FM- FSK（頻率偏移調(diào)制）、PM- PSK（相位偏移調(diào)制）。數(shù)字信號(hào)未經(jīng)調(diào)制時(shí)，載波在頻譜上是單頻點(diǎn)，有調(diào)制時(shí)頻帶則是連續(xù)頻率。該連續(xù)頻率的寬度被稱為帶寬，由基帶信號(hào)的寬度和調(diào)制方式?jīng)Q定。

在進(jìn)入數(shù)字調(diào)制時(shí)代后，2.4GHz頻段逐漸成為主流。其為開放波段，全球通用，且頻率帶寬可達(dá)83.5MHz，使遙控器的芯片資源更加豐富。然而，正是由于使用該頻段無需授權(quán)，因此生活中大量的通信技術(shù)或電子設(shè)備如 Wi-Fi、藍(lán)牙、無繩電話、ZigBee等都在使用該頻段。在如此擁擠和惡劣的通信環(huán)境下，要確保遙控器不失控，抗干擾技術(shù)至關(guān)重要。于是，擴(kuò)頻通信技術(shù)成了抗干擾的主要手段。

二、擴(kuò)頻通信技術(shù)

擴(kuò)頻通信技術(shù)就是通過不同方法將需傳遞的信息擴(kuò)散到更廣闊的頻譜上。常用的擴(kuò)頻技術(shù)有直接序列擴(kuò)頻（簡(jiǎn)稱DSSS）和跳頻擴(kuò)頻（簡(jiǎn)稱FHSS）兩種。

1.DSSS調(diào)制

DSSS是一種安全性高、抗干擾性強(qiáng)的無線序列型號(hào)傳輸調(diào)制方式。該技術(shù)利用高速率的偽噪聲碼序列與信息碼序列（數(shù)字信號(hào)）波形相乘后得到的復(fù)合碼序列來控制載波的相位，從而獲得直接序列擴(kuò)頻信號(hào)，即將原來較高功率、較窄頻率的數(shù)據(jù)信號(hào)變成具有較寬頻率、較低功率的信號(hào)，以增強(qiáng)抗干擾能力。

DSSS通過擴(kuò)展基帶信號(hào)速率來擴(kuò)展頻帶頻譜的最常用的調(diào)制方式是PSK，如采用QPSK技術(shù)的德州儀器CC2533芯片。此外，還有采用FSK技術(shù)的芯片，如賽普拉斯的CYRF6936。

以CC2533芯片為例，其采用調(diào)制2.4GHz載波相位的方法擴(kuò)頻，基帶信息速率為250kbps，與偽隨機(jī)碼相乘后可擴(kuò)展到2Mbps，在頻帶上體現(xiàn)的帶寬約為4MHz?？梢姡褂肈SSS擴(kuò)展頻譜后，發(fā)射的信息分布變得更廣了。DSSS抗干擾性主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）降干擾。通過擴(kuò)展頻譜可將單頻率點(diǎn)高功率干擾信號(hào)分解擴(kuò)散，大大降低干擾功率譜密度，將強(qiáng)干擾轉(zhuǎn)換成弱干擾。

（2）噪聲中解碼。發(fā)射和接收使用同樣的偽隨機(jī)碼時(shí)，接收端可降低非本機(jī)發(fā)射的干擾信號(hào)擴(kuò)展在單個(gè)頻點(diǎn)上的信號(hào)強(qiáng)度。此外，當(dāng)本機(jī)信號(hào)部分頻譜受到嚴(yán)重干擾不能解調(diào)時(shí)，也可利用相關(guān)性進(jìn)行信號(hào)恢復(fù)，即在噪聲中完成信號(hào)接收。

（3）抗多徑干擾。接收機(jī)收到的信號(hào)除了直接來自發(fā)射端外，還有通過地面、墻體反射的信號(hào)。多種信號(hào)疊加時(shí)會(huì)增加干擾，即空中距離大于地面距離，而空中反射小于地面反射。DSSS不僅不受此項(xiàng)干擾，反而能利用反射信號(hào)增強(qiáng)接收強(qiáng)度。

DSSS不僅抗干擾且功率頻譜密度低、對(duì)其他設(shè)備干擾小、同頻容納設(shè)備通道多，可允許更多人同時(shí)同場(chǎng)地使用航模遙控器。

2.FHSS調(diào)制

與DSSS調(diào)制方式相比，F(xiàn)HSS則是通過不斷改變載波，使其均勻布滿整個(gè)波段的方法實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展。通常跳頻信道數(shù)不低于15個(gè)，且跳頻序列是符合類似噪聲的隨機(jī)跳頻。FHSS可實(shí)現(xiàn)躲避干擾，其抗干擾性主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

（1）避干擾。傳輸時(shí)的干擾信號(hào)往往只占用部分帶寬，而只要跳頻頻率點(diǎn)覆蓋的波段有不被干擾的頻道，就可保證部分?jǐn)?shù)據(jù)包不丟失。

（2）抗多徑干擾。墻面等反射信號(hào)到達(dá)接收機(jī)會(huì)有延時(shí)，而此時(shí)信道已經(jīng)切換，可避免信道同時(shí)疊加，實(shí)現(xiàn)抗多徑干擾。

（3）容納更多用戶。可通過跳頻序列的多樣性減少不同遙控器之間的信道碰撞。部分具有自適應(yīng)跳頻技術(shù)的遙控器還可通過分析波段上的頻率占用率，自動(dòng)搜索無干擾或未被占用的跳頻信道進(jìn)行跳頻。這不僅避免了自然干擾，也不會(huì)受短波頻譜被大量占用的影響。它會(huì)根據(jù)需要自動(dòng)改變跳頻序列，有效適應(yīng)惡劣環(huán)境。

（4）擴(kuò)頻增益。如果跳頻序列符合隨機(jī)數(shù)特征，則遙控器信號(hào)會(huì)獲得比定頻或固定序列跳頻更遠(yuǎn)的傳輸距離。

在認(rèn)識(shí)FHSS時(shí)，還應(yīng)了解以下幾個(gè)與之密切相關(guān)的內(nèi)容：

（1）偽噪聲特征。符合噪聲序列的跳頻技術(shù)性能最好，然而實(shí)際應(yīng)用中的噪聲是不可預(yù)知的，無法用來同步發(fā)射和接收信號(hào)。為此，可制造一個(gè)像噪聲的序列，其既有噪聲特性，又可知可用，它被稱為偽噪聲。偽噪聲具有很大的隨機(jī)性，很難被截獲和破解，保密性強(qiáng)。

（2）防死鎖。如果序列是規(guī)律的，就可能出現(xiàn)兩臺(tái)設(shè)備信號(hào)“撞車”。一旦發(fā)生同頻，就會(huì)引發(fā)一連串信號(hào)碰撞，造成信號(hào)死鎖而無法通信。

（3）低碰撞。如果序列太接近，即使不發(fā)生死鎖，也會(huì)產(chǎn)生較高的碰撞率和丟包率。丟包率過高會(huì)造成遙控器延遲明顯。

（4）寬覆蓋。跳頻頻率需要覆蓋全波段，如果太過集中，則可能會(huì)遇到與其帶寬完全重疊的干擾信號(hào)。

（5）自相關(guān)通信恢復(fù)。2.4G是視距傳輸、直線傳播波段，一旦被阻隔或遇到干擾將中斷通信。當(dāng)干擾消除時(shí)接收機(jī)應(yīng)立即恢復(fù)信號(hào)接收，而遙控器和接收機(jī)將按各自的序列跳頻。此時(shí)就需要發(fā)射和接收的序列具有相關(guān)性，以保證快速同步。

跳頻序列沒有固定模型可用，只能根據(jù)信道數(shù)、序列周期、序列數(shù)量、相關(guān)性、信號(hào)中斷恢復(fù)時(shí)間，以及最大用戶數(shù)等有關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算得到結(jié)果。

DSSS與FHSS是目前應(yīng)用在航模遙控器上兩種主流的抗干擾技術(shù)。兩者原理雖有不同，但抗干擾性能各有優(yōu)劣。如DSSS可抗同頻干擾，但遇到大帶寬的強(qiáng)干擾信號(hào)時(shí)，誤碼率會(huì)顯著升高；而FHSS雖不能抗同頻干擾，但可避開干擾。目前看來，只有采用DSSS與FHSS配合使用的雙擴(kuò)頻技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)最佳的抗干擾性能。而在不久的將來，隨著ODFM（正交頻分復(fù)用技術(shù)，屬多載波調(diào)制的一種）的普及，航模遙控器又會(huì)迎來新一輪的技術(shù)更替。