Простое решение ВСЕХ проблем с ограниченной дальностью ЛРС систем радиоуправления на примере QCZEK LRS (LoRa based)

Довольно провокационный заголовок, не находите? Однако ниже я попробую показать, что реальное положение дел именно таково, поскольку подтверждается измерениями. Краткая предыстория вопроса. С начала сезона для дальних полетов я плотно использовал QCZEK LRS, сначала на 433, потом на 868 мгц. На 868 перешел потому, что размеры антенн оказались намного меньше, что особенно удобно на коптерах, где места прямо скажем немного, и приходится конкретно поломать голову, чтобы разместить все компоненты 😃 Антенны на обоих концах линка использовал Vee - диполи, настроенные точно по прибору на середину рабочего диапазона. Выходная мощность передатчика РУ чаще всего была около 250 мвт, иногда ее приходилось поднимать до 400, но в большинстве случаев до отметки 15 км на 250 мвт долетал или вообще без фейлсейфов, или буквально с одним фейлсейфом на одном и том же удалении, примерно на половине макс. дальности. При этом Лора модем, расположенный на коптере (приемник РУ и передатчик телеметрии на землю) вещал на мощности всего лишь 60-75 мвт, и в течение всего полета телеметрия на земле принималась вообще без каких-либо проблем. Т.е всегда, постоянно, без перерывов. И вот это несоответствие не давало мне покоя. Стало ясно, что проблема кроется где-то в радиочастотной совместимости оборудования, установленного на коптере. Сегодня до этого наконец дошли руки, и я решил провести ряд экспериментов, тем более, что Криштоф (автор QCZEK) выпустил обновление прошивки 1.92, в котором по моим баг-репортам он исправил вычисления RSSI в дбм и SNR (соотношение сигнал-шум) в дб. Видеть эти два параметра на земле мне было крайне необходимо, поскольку они позволяют моментально выяснить причину проблем с линком. И я ее выяснил, проведя 3 эксперимента.

Эксперимент первый. Выяснение пределов линка РУ в идеальных условиях.

Идеальные условия - это практическое отсутствие шумов в месте приема, не считая местного фона, теплового и т.д. Достиг я этого, установив 50 ом терминатор на входе приемника, а с ретранслятором РУ (с установленным Vee диполем) в одной руке и аппой в другой стал постепенно отходить от коптера. Места в доме не хватило, пришлось спуститься в подвал, чтобы добиться пропадания линка и фейлсейфа))

Результат: телеметрия показала, что фейлсейф случился при RSSI на уровне -116…-118 дбм и соотношении сигнал/шум на уровне -7 дб. Отрицательное с/ш - в порядке вещей, поскольку LoRa умеет “выковыривать” сигнал из-под уровня шумов в силу особенностей протокола. Для того, чтобы понимать, насколько это низкий уровень уровень сигнала, приведу такой пример. Пару лет назад, когда я летал на старой ЛРСке (EzUHF) yа расстоянии 20 км на 433 мгц при выходной мощности 200 мвт и передающей антенне (яги) с усилением 8 дб уровень принимаемого сигнала был около -90 дбм. Скидываем 5 дбм, представив, что поставили диполь вместо яги. Итого -95. Теперь такие расчеты. На 40 км получилось бы -101 дбм. На 80 км -107 дбм. На 160 км = -111 дбм. А ФС у лоры наступает при -118, как мы видели в домашнем рэндж тесте. Итого уже 320 км рисуется в конфигурации диполь-диполь 😃 С учетом влияния атмосферы и прочих шумов будет конечно поменьше, но расстояния получаются гигантскими, не правда ли? И они не выглядят прям уж фантастическими, потому что один радиолюбитель из Швейцарии добился 200 км дальности с лора модемами. В ютюбе есть ролик, кто хочет, может поискать.

Ок, это то, что мы можем получить в идеале. Теперь проводим

Второй эксперимент с выяснением пределов линка РУ в реальных условиях

Для этого на приемник на коптере ставим диполь, а терминатор ставим на передатчик ретранслятора РУ. Таким образом приемник будет собирать всю бортовую “гадость”, все помехи, а главное - начнет принимать мощный сигнал передатчика видео, антенна которого расположена буквально в 20 см. (на коптерах 450 размера места не особо много, да!) Снова гуляем по дому и спускаемся в подвал.

Результат: на этот раз фейлсейф поймался при уровне всего -87…-89 дбм при с/ш -7. Т.е реально уровень шума на входе приемника был в тот момент аж на уровне -81 дбм! Это очень много. В переводе на язык расстояний это означает, что 7-10 км будет вашим пределом по дальности, дальше пропадет радиоуправление. И это на лоре, с ее возможностью уходить ниже уровня шумов! На обычных лрсках, работающих в FSK, дальность оказалась бы более чем в 2 раза меньше. Всё это говорит нам только о том, что приемник лоры нехило задавлен близкорасположенным передатчиком видео на 1.2 ггц. Ок, подумал я, проведем еще один опыт, на этот раз с отключенным передатчиком видео. И что же вы думаете? На этот раз фейлсейф случился уже при -97…-99 дбм при с/ш -8. Если бы коптер был дальше от компа, то разница была бы еще больше.

Третий эксперимент. Раз есть помеха, от нее надо избавляться. Поэтому сделал по-быстрому режекторный фильтр на частоту моего передатчика видео 1160 мгц. Настраивал его по прибору, подавление на частоте 1160 мгц оказалось порядка 30 дб. Чуть даже промазал, мог бы 35 дб получить в идеале. Через тройничок прикрутил его ко входу приемника и пошел делать измерения. И снова, что и требовалось доказать: на этот раз фейлсейфы начались при уровне сигнала -101…-103 дбм при с/ш -8 дб. Решил перепроверить, снял фильтр. Получил прежний результат: фейлсейфы пошли при уровне -87…-89 дбм при с/ш -7.

А это, на секундочку, целых 14 дб разницы, или порядка 6 раз по дальности. Учитывая, что на 250-400 мвт я спокойно долетал на 15 км на диполях на обоих концах линка, прогнозируемая дальность его работы оказывается порядка 90 км, что более чем достаточно. В общем, на этом вопрос с ограниченной дальностью РУ линка на лоре (да и на других лрс тоже) можно считать закрытым. Учитывая все вводные, полагаю, что я исследовал его исчерпывающе. Конечно, остается еще окончательно проверить выводы в реальном полете, но 90% вероятности, что именно так всё и окажется. Какие-то погрешности могут появиться из-за влияния атмосферы или помеховой обстановки в зоне полета, но не думаю, что это влияние будет критичным.

Теперь окончательный вывод. Я утверждаю, что 90% проблем с ограниченной дальностью работы систем дальнего радиоуправления моделями (ЛРС, LRS) происходят из-за “оглушения” приемника радиоуправления близкорасположенным передатчиком видео. Дополнительный вклад вносят шумы от других компонентов: пишущей или ФПВ камеры (они очень фонят на 433 мгц), полетного контроллера и т.д. Столкнувшись с маленькой дальностью недешевых и казалось бы отличных систем ЛРС, летчики-пилоты обычно начинают “шаманить” с антеннами, с попытками поднять мощность передатчика и т.д. Это всё мертвому припарки и ловля блох. Потому что даже антенна с КСВ равным 3 (т.е ппц как расстроенная) на рабочей частоте теряет (или “недособирает” скорее) лишь около 10% ЭМ энергии, а это сущие копейки для бюджета линка!

Далее, мощность передатчика. 250 мвт - это 24 дбм. 1 Вт - 30 дбм. А теперь вдумайтесь в следующее: это всего лишь 6 дб разницы или 2 раза по дальности! ВСЕГО ЛИШЬ. А из-за “оглушения” приемника РУ передатчиком видео мы теряем порядка 14 дб (102-88 = 14 дб, см. данные моих измерений) а 14 дб, это порядка 6 раз по дальности. Без забития приемника РУ мощным сигналом с передатчика видео, дальность работы радиоуправления была бы в 6 раз больше! Т.е мы видим, что поднимать мощность передатчика - тоже не выход. Эффект очень слабый. Сильный эффект, будет, кстати говоря, если вместо диполя на передатчик поставить хорошую направленную антенну, яги или Харченко. Последняя мне спокойно дает 10 дб прироста, что решило бы все мои проблемы с линком. Но я не сторонник забивания гвоздей микроскопом! 😃 Всегда лучше решить проблемы на стороне приемника, чем увеличивать мощность передатчика. Ни к чему вносить свой вклад в глобальное потепление 😃 да и эээ… balls поберечь бы надо, пригодятся. А это, кстати, камень в сторону отдельных ЛРС с выходной мощностью в 7 ватт 😃 Для сравнения: телеметрия с лора модема принималась с расстояния 18 км при мощности 75 мвт без единого затыка. Вот тут “кто-то” слетал и протестировал))

В общем, если перейти от теории к практике, то гарантированным решением большинства проблем с ограниченной дальностью РУ линка (особенно если входные каскады приемников не блещут хорошей схемотехникой, что справедливо для очень, очень многих систем ЛРС) является режекторный фильтр точно на частоту вашего передатчика видео, подключенный между антенной приемника и входом приемника РУ. Этот фильтр решает проблему “оглушения” (забития, низкой избирательности по соседнему каналу) приемника РУ, хотя и вносит небольшие потери в уровень принимаемого сигнала. Тем не менее, от него в 100 раз больше пользы, чем вреда, что мы и видели на конкретных цифрах.

Если будет время, попробую снять видео, где подробно покажу процедуру измерений. Всегда лучше один раз увидеть, что сто раз прочитать 😃

update. Как показали дальнейшие опыты, режекторный фильтр на частоту передатчика видео проблему решает не полностью. Коллеги по хобби подсказали, что гораздо лучше на входе приемника применять полосовой фильтр, оставляющий из всего спектра принимаемых антенной частот только те, что составляют рабочую полосу приемника, и отсекающий все те, что лежат вне этой полосы. Рабочая полоса в нашем случае - 868-870 мгц. Режекторный фильтр можно использовать, если не нужна передача телеметрии с борта, т.к применение такого фильтра поднимает КСВ система антенна-фильтр вплоть до 7, что уже неприемлемо (хотя при малых мощностях, 50-100 мвт - некритично). Полосовой фильтр на ПАВ (SAW) таким недостатком не обладает. КСВ с ним не более 1.8 в рабочей полосе частот.

Такой фильтр я в итоге изготовил самостоятельно. Характеристики получились следующими:

• Вносимое затухание в полосе 868-870 мгц: 2.4…2.6 дб
• Подавление частот вне рабочей полосы: не хуже 45 дб
• Подавление частот передатчиков видео 1160-1280 мгц: порядка 50 дб
• КСВ в рабочей полосе частот: 1.6-1.8
• Вес: 4 грамма

Выглядит он так:

Скриншоты амплитудно-частотных характеристик:

На этом могу констатировать, что проблема с ограниченной дальностью системы РУ QCZEK LRS (и аналогичных) решена. 😃