《无人机系统概论》课件 模块三 通信链路系统

无人机系统概论模块三

通信链路系统

本模块知识脉络3.1通信链路的基本概念

通信链路系统是无人机与地面控制站进行通信和数据传输的重要组成部分，它确保了无人机在飞行过程中能够接收指令并回传信息。

通信系统中，信息可以是图像、文字、声音等多种形式。在通信系统中，信号从生成到被正确接收的完整传输过程可概括为下图所示流程。1.信号传输的过程

通信网络中两个节点之间的物理通道称为通信链路。2.通信链路的定义及分类

0102按照连接方法不同分类点对点通信链路：指在两个设备之间直接建立的通信链路，这种链路通常用于连接两个特定的设备或站点，提供直接的通信路径，而不需要通过中间节点。多点连通通信链路：指用一条链路连接多个（n>2）节点的通信方式，这种连接方式允许多个设备共享同一链路进行通信，通常用于广播通知、广告等需要多个节点同时接收信息的场景。

0102按照通信方式不同分类单向链路：指在通信过程中，数据只能往一个方向传输，而不能反向传输。。双向链路：允许数据在两个方向上传输，广泛应用于各种通信系统和网络架构中。

0102按照信道介质类型分类无线信道：信号通过自由空间或大气以电磁波形式辐射传播，无须实体连接。典型代表有微波、毫米波／太赫兹波、蜂窝移动信道、无线局域网（Wi-Fi）、广播（AM/FM）等。有线信道：信号沿实体导体或导光介质封闭传输，电磁场被束缚在介质内部。典型介质代表有双绞线、同轴电缆、光纤、波导等

无线电频率定义与范围无线电频率（RF）是电磁波谱中用于无线通信的特定频率范围，典型范围为0.3Hz～3000GHz，此范围电磁波可通过天线辐射传播，是无线通信、广播、雷达等技术的基础。

无线电频率单位及表达方式约定无线电频率以赫兹（Hz）为单位，表达方式一般约定如下：①3000kHz以下（包括3000kHz），以千赫兹（kHz）表示；②3MHz～3000MHz（包括3000MHz），以兆赫兹（MHz）表示；③3GHz～3000GHz（包括3000GHz），以吉赫兹（GHz）表示。3.影响通信质量和效率的关键因素（1）频率

对于采用无线信道的通信链路来说，频率、频段、信道、信道带宽和传输速率是影响通信质量和效率的关键因素。

频段是指在无线通信系统中，用于传输信号的特定频率范围。每个频段由一个下限频率和一个上限频率组成。不同的频段对应着不同的通信应用，如广播、卫星通信、移动通信等。（2）频段我国无线电频段划分

信道带宽是指信道能够传输的频率范围。带宽越大，能够传输的信息量就越大，信号可以传输的数据量越大，系统的传输效率越高。（3）信道（4）信道带宽

信道是指用于信号传输的路径。在通信系统中，信道不仅包括物理介质（如电缆、光纤），还包括信号在传输过程中的各种干扰和噪声。信道是信息传递的载体，不同的信道具有不同的传输特性，如信号衰减、噪声干扰、带宽等。

根据信号传播的方式和环境的不同，信道可以分为无线信道、有线信道。无线信道是用于无线通信中的信道，如移动通信、卫星通信中的空中传输信道；有线信道是指通过物理介质（如双绞线、光纤）传输的信道。

频段和信道带宽是密切相关的。一个频段的宽度决定了信道的带宽，更广的频段通常意味着更大的信道带宽，从而可以支持更高的传输速率。

信道带宽是决定传输速率的关键因素之一。根据香农公式，信道的带宽越大，理论上可以传输的数据量也越大。在现代通信中，频谱资源的有效利用和带宽的扩展是提升传输速率的重要手段。（5）信道传输速率（6）频段、信道带宽与传输速率的相互关系

信道的传输速率与信道容量有关。信道容量是指信道在单位时间内可以传输的最大信息量，通常用比特/秒（bit/s）来表示。根据香农公式，信道容量与信道带宽、信号噪声比密切相关。公式中，C是信道容量，B是信道带宽，S/N是信号与噪声的功率比。

影响有线信道信号传输质量的关键因素可大致归为物理链路、器件与环境三大类。本处以光纤为代表做简要说明。（1）信号衰减

在光纤通信中，光信号会随着光纤长度的增加而衰减。而且在光纤通信过程中信号受反射、折射和散射等多种因素影响，从而导致光信号不断减弱。因此，在光纤通信过程中，需要不断补充信号能量，否则光信号无法远距离传输。（2）色散

在光纤通信过程中，不同波长的光波速度不同，在传输过程中会导致波形失真，这种现象称为色散。色散会使光信号失真，因此需要采取某些措施来减少色散的影响。（3）光纤损伤

光纤作为一种脆性材料，非常容易损坏。在光纤通信过程中，光纤可能会受到机械、热、电等方面的损坏，甚至可能出现断裂或切断。如果不及时处理，这种损伤将会导致光信号无法传输。（4）噪声

在光纤通信过程中，噪声是不可避免的。噪声可能来源于光源、检测器或其他外部环境因素。如果噪声幅度过大，将会影响光信号的质量和传输距离。（5）光纤连接器

光纤连接器是将一根光纤与另一根光纤或设备连接起来的部件。光纤连接器的质量和安装方式都对传输产生影响。如果连接器不够牢固或接触不良，会产生额外的损耗和噪声，影响光信号的传输质量。（6）温度变化

光纤传输的速度受温度的影响较大。在较高的温度下，光纤会出现膨胀，导致光信号失真和衰减；而在较低的温度下，光纤会产生收缩，使波长发生移位，也会导致光信号的失真和衰减。遥控接收链路单向上行链路，用于地面控制站向无人机发送控制指令，无人机接收并执行。核心功能是实现对无人机的实时控制，确保飞行安全和任务执行。数据传输链路双向上下行链路，用于无人机与地面控制站之间的数据交换，数据包括遥测数据、任务数据、传感器数据等。核心功能是实现无人机状态的实时监控和任务数据的上传。图像传输链路单向下行链路，用于将无人机拍摄的图像或视频实时传输到地面显示器。核心功能是实现无人机图像的实时显示和监控。3.2无人机的通信链路分类1.按照链路功能分类

无人机通信链路按照数据传输方向可分为上行链路、下行链路两类。

上行链路负责将地面控制站的指令和控制信息传递给无人机，包括飞行控制指令、任务参数、紧急指令等，以实现对无人机的远程操控。

下行链路负责将无人机收集到的数据和信息实时传输回地面控制站，包括传输无人机的飞行状态信息、传感器数据（如视频流、遥测数据等），以及可能的定位信息。2.按数据传输方向分类（3）按照传输距离分类

无人机通信链路根据无人机通信链路的物理距离可分为视距通信链路和超视距通信链路。

视距通信链路是指无人机与地面控制站之间在无线电的“可视”距离内进行通信的链路。

超视距通信链路是指通过中继转发设备或其他通信手段，实现无人机与地面控制站之间远距离通信的链路。其主要特点是通过在无人机与地面控制站之间或多架无人机之间设置中继节点，实现信号的转发和传输，从而减弱甚至避免地形阻挡、地球曲率、大气吸收等不利因素的影响。

射频通信链路以电磁波为信息载体，通过地面/机载天线在开放空间进行全向或定向辐射，无须敷设线缆，开机即通；具有较高的灵活性和部署成本较低的优势，广泛应用于短距离和中距离的通信任务，是无人机最常用的通信方式之一。

光纤通信链路以光波为载波，通过系留光缆或机载-地面光纤卷轴实现有线传输。信号在纤芯内以全反射方式传播，完全规避电磁频谱占用。光纤具有信号传输速率高、抗电磁干扰能力强等优点。（4）按照信号传输原理分类

按照信号传输的技术原理，无人机通信链路可以分为射频通信链路、光纤通信链路等类型。3.3无人机通信链路的信号传输原理1.射频通信技术

射频通信技术是一种利用射频信号进行信号传输的无线通信技术，广泛应用于现代通信和电子设备中，涉及移动通信（如5G、4G）、Wi-Fi、蓝牙、卫星通信、雷达、医疗设备、物联网（IoT）、射频识别（RFID）、近场通信（NFC）等众多领域。其信号传输过程包括信号的编码、调制、发射、传播、接收、解调和解码等多个步骤（如下图）。信源编码信源编码的主要目的是将模拟信号（如语音、图像等）转换为数字信号，并通过数据压缩技术减少码元数目，从而提高信息传输的有效性。信道编码信道编码则是在数字信号中引入冗余信息，以提高其在传输过程中的抗干扰能力和纠错能力。常见的信道编码方法包括卷积码、Turbo码、低密度奇偶校验码（LDPC码）和海明码等。（1）信号编码

无线通信系统中，信号编码主要包括信源编码和信道编码两个阶段。信号调制的定义信号调制是将原始信号转换为适合在信道中传输的高频信号的过程。基本概念：基带信号与载波信号基带信号是未经调制的原始信号，通常包含要传输的信息，如声音、图像或数据等，具有较窄的频率范围，通常从零频附近开始，具有低通形式；载波信号是一种高频信号，通常为正弦波，用于携带基带信号以实现远距离传输。基带信号与载波信号的角色在信号调制中，基带信号和载波信号扮演不同角色：基带信号携带信息，载波信号负责实现远距离传输，通过调制过程，基带信号被加载到载波信号上，使信息能够通过信道传输。信号调制的实现方式信号调制通常涉及对载波信号的参数（如振幅、频率或相位）进行修改，以适应不同的通信需求和环境。（2）信号调制

在无线通信中，基础调制方式包括调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM），如图所示。调幅通过改变载波信号的振幅来传递信息，在调幅中，载波的振幅随基带信号的变化而变化，而载波的频率和相位保持不变。调频通过改变载波信号的频率来传递信息，在调频中载波的频率随基带信号的变化而变化，而振幅和相位保持不变。调相通过改变载波信号的相位来传递信息。在调相中载波的相位随基带信号的变化而变化，而振幅和频率保持不变。（3）信号的发射与传播

调制后的信号通过发射机的功率放大器进行放大，以确保其能够覆盖一定的距离。随后，信号通过天线以电磁波的形式传播到空中。在传播过程中，信号会受到多种因素的影响，包括距离衰减、障碍物遮挡、多径效应等。（4）信号的接受与调制

天线接收接收天线将空间中的电磁波转换为微弱的电信号

信号放大通过低噪声放大器等电路对信号进行放大，以提高信号强度和灵敏度

信号解调根据调制方式（如AM、FM、PM）使用相应的解调器，去除载波信号提取原始信息

无线电信号的接收和解调处理主要包括天线接收、信号放大等步骤。（5）信号的发射与传播

解码则是将解调后的信号转换为可读的信息格式，例如在数字通信中，解码器会将解调后的信号转换为机器可以识别的二进制数据。信号的解码通常分为两个主要阶段：数据检测和信道解码。数据检测负责从接收到的信号中提取初步的估计值，而信道解码则进一步处理这些估计值，以恢复原始信息。例如，在下图中，数据检测器接收输入信号y，通过内部处理输出初步的数据估计值；随后这些估计值被传递给信道解码器，最终输出解码后的数据D。2.光纤通信技术

光纤通信技术是一种利用光在光纤中传播来实现信息传输的通信方式。其基本原理是将电信号转换为光信号，通过光纤进行传输，然后在接收端将光信号转换回电信号，从而完成信息的传递，如下图。信号调制定义在光纤通信中，信号调制是将电信号（如语音、图像、数据等）加载到光载波上的过程。常见调制方式常见的调制方式包括强度调制（IM）、调频（FM）和调相（PM）。各调制方式特点在强度调制中，光的强度随电信号的幅度变化而变化；在调频中，光的频率随电信号的频率变化而变化；而在调相中，光的相位随电信号的相位变化而变化。调制的作用调制后的光信号能够更好地适应光纤传输特性，并提高系统的抗干扰能力和传输效率。（1）信号调制（2）光电转换

光电转换是将电信号与光信号进行转换的过程。

在发送端，电信号通过光源（如激光二极管或LED）被转换为光信号，以便在光纤中传输。

在接收端，光电探测器（如光电二极管）将接收到的光信号转换回电信号，以便后续处理。这一过程是实现光纤通信的基础，也是实现高速、大容量信息传输的关键环节。（3）光纤传输

光纤传输是利用光在光纤中的全反射原理，使光信号在纤芯中长距离传播，如下图所示。（4）解调和信号恢复

在接收端，经过光纤传输的光信号首先被光电探测器转换为电信号。随后，通过解调电路提取出原始信息。根据调制方式的不同，可能需要使用锁相环（PLL）、混频器等电路来恢复基带信号。例如，在强度调制中，解调器通常采用简单的光电检测电路；

而在调频或调相中，则需要更复杂的解调技术。解调后的信号还需经过滤波、放大和整形等处理，以恢复原始信息的完整性和准确性。（5）信号放大与处理

由于光纤传输过程中信号会发生衰减，因此在接收端需要通过放大器对信号进行增强，以补偿传输损耗。同时，信号可能受到噪声和失真的影响，因此在接收端还需要通过滤波器、均衡器等电路对信号进行滤波和整形，以恢复信号的原始形态。此外，信号处理还包括采样、量化和编码等步骤，以确保最终输出的信号与原始信号一致。3.4无人机通信链路的硬件设备1.射频通信链路的硬件设备

采用射频技术的无人机通信链路设备包括机载部分、地面部分和中继部分（如下图）。

射频接收机负责接收来自地面控制站或其他通信节点的射频信号，这些信号可能包含控制指令、遥测数据或任务信息。在某些情况下，射频接收机还可能配备低噪声放大器以提高信号接收的灵敏度。

射频发射机用于将无人机生成的数据（如遥测信息、图像、传感器数据等）通过射频信号发送到地面控制站或中继平台。射频发射机通常支持可调功率输出，以适应不同飞行环境和通信距离的需求。

调制解调器负责将数字信号转换为适合无线传输的射频信号（调制），并在接收端将射频信号还原为数字信号（解调）。（1）机载部分

机载部分包括机载数据终端（ADT）和天线。前者包含射频接收机、射频发射机和调制解调器几个部分。有些机载数据终端受到链路带宽限制，集成了数据压缩处理器。

数据压缩处理器用于在发送前对数据进行压缩，从而减少传输带宽需求。如果数据在机载部分经过压缩，则地面部分还需配备数据重建处理器以还原数据。

天线负责信号的发射和接收。根据应用场景的不同，天线可以是全向天线或定向天线。全向天线在水平方向上均匀辐射，适用于近距离通信，覆盖范围广，价格实惠；而定向天线则在一定角度范围内辐射，适用于远距离通信，覆盖范围小，目标密度大，频率利用率高。（2）机载部分

通信链路设备的地面部分也称为地面数据终端（GDT），由天线、射频接收机、射频发射机和调制解调器组成。（3）中继部分

链路的中继部分对于需要延伸链路作用距离的中、长航时无人机才需要配备，它一般由中继平台和转发设备构成。中继平台负责搭载通信设备，可采用卫星、无人机或者其他飞行器。转发设备是中继系统的核心组件，负责信号的接收、处理和转发，其常用的技术包括多跳中继技术和短波电台技术。2.光纤通信链路的硬件设备

采用光纤通信技术的无人机通信链路硬件设备包括光发射机、光接收机、光纤、再生中继器、光耦合器、光纤接头盒、连接器等无源器件，如下图。

（1）光发射机

光发射机负责将电信号转换为光信号，并通过光纤进行传输。它由光源、驱动器和调制器组成。光源的作用是产生光波，驱动器则控制光源的输出，而调制器则调整光波的参数，以表达电信号的信息。在无人机通信中，光发射机需要具备高光功率输出、高调制频率和低谱线宽度等特性，以确保信号的稳定性和传输效率。

（2）光接收机

光接收机负责将光信号转换回电信号，并进行放大和处理。它由光检测器、放大器和相关电路组成。光检测器的作用是将光信号转换为电信号，而放大器则用于增强信号的强度，使其能够被后续的处理电路识别。

（3）光纤

光纤是光纤通信系统中的传输介质，负责将光信号从发射端传输到接收端。如下图所示，光纤由纤芯、包层和涂覆层3个部分组成，纤芯用于传输光信号，包层用于反射光信号，涂覆层则用于保护光纤。

（4）再生继电器