无人机通信干扰的6种机理

跟牛顿经典力学基础的三个定理一样，香农的三大定理奠定了信息论的基础。这里重点要讲香农第二定理，香农（Claude Elwood Shannon）1948 年在《通信的数学理论》（MathematicalTheory ofCommunication）一文中，提出了著名的香农定理，为现代通信奠 定了坚实的理论基础。

香农定理指出，在噪声与信号独立的高斯白噪信道中，假设信号的功率为S，噪声功率为N，信道通频带宽为W(Hz)，则该信道的信道容量C（bit/s）有：

C=W*log2(1+S/N)   

这就是香农信道容量公式，从公式中可以看出：对于一定的信噪比和一定的传输带宽，可以确定传输速率的上限，这个极限是不能够突破的，由香农信道容量公式可得出以下结论：

   （1）提高信道的信噪比或增加信道的带宽都可以增加信道容量。

（2）当信道中噪声功率N无穷趋于0时，信道容量C趋于无限大，这就是说无干扰信道的信道容量可以为无穷大。

（3）信道容量C一定时，带宽W与信噪比S/N之间可以互换，即减小带宽，同时提高信噪比，可以维持原信道容量。

（4）信噪比一定时，增加带宽W可以增大信道容量。但噪声为高斯白噪声时（实际的通信系统背景噪声大多为高斯白噪），增加带宽同时会造成信噪比下降，因此无限增大带宽也只能对应 有限信道容量。

无线通信的干扰是指对无线信号接收质量有影响的一切因素，包括各种噪声的影响，但不只是噪声的影响，可能是其他无线系统的影响，也有可能是系统工作频率范围内的同频或异频信号对一个信号的影响。干扰一般是从对接收端造成的影响来说的。

产生干扰主要有6种机理：杂散干扰、阻塞干扰、发射机交调干扰、接收机交调干扰、同频干扰、邻频干扰。

（现象类比）小明在家学习准备一个重要的考试（接收知识的接收机）。窗外繁忙的交通带来的噪声较大，影响了他的学习（杂散干扰）；突然楼上传来了装修房屋刺耳的电钻声（阻塞干扰），他停下学习，抱怨道：“这种环境怎么学习？”电钻声停止后，他继续学习。在另外一个屋里学习了一会儿的弟弟产生了玩的念头（发射机交调干扰），过来找他，说：“咱俩玩警察抓小偷吧！我当警察，你当小偷。”小明不愿意，继续学习。哥哥拒绝了弟弟，弟弟不高兴，在屋外故意高声朗读课文干扰哥哥。过了一会儿，小明自己也产生了玩的念头（接收机交调干扰），心想：“我上网聊会儿天再说。”学习时受到的干扰小明学习过程中受到几种不同类型的影响（或者叫干扰）：繁忙交通的杂散干扰；刺耳电钻的阻塞干扰；弟弟不想学习发出的贪玩杂念，类似发射机交调干扰；自己不想学习产生的贪玩杂念，类似接收机交调干扰；弟弟高声朗读课文，类似于本系统同频干扰。不管哪种类型的干扰，都会影响他的学习。

杂散干扰——孟子迁离墓地

（现象类比）孟子小的时候，住在墓地旁边。经常看到有人嚎哭祭拜死去的人。孟子就和邻居家的小孩玩起办理丧事的游戏，学着大人跪拜、哭嚎的样子。墓地旁边的人们嚎哭（杂散干扰）直接影响了孟子的正常学习和成长。孟子的母亲发现后，没有办法筑起一堵高墙使孩子不要接触哭丧的人，只能尽快迁离此地。

杂散干扰是一个系统频段外的杂散辐射落入到另外一个系统的接收频段内造成的干扰，就像墓地嚎哭的声音（杂散干扰）对小孟子（接收方）的影响。

杂散干扰直接影响了系统的接收灵敏度，要想减弱杂散干扰的影响，要么在发射机上过滤干扰（在墓地周围围上一堵墙），要么远离干扰（搬离此地）。杂散干扰是由发射机产生的，包括功放产生和放大的热噪声、系统的互调产物，以及接收频率范围内收到的其他干扰。

在无人机编队表演的很多场合，存在一些其他电子设备对GPS 信号造成奇特干扰，如空中户外显示大屏或一些其他的电子设备会产生L波段的高频谐波分量，对GPS 信号产生影响利用微型手持频谱仪可以快速检验这些干扰源。

阻塞干扰——小猫躲了起来

现象类比）一只老猫在沙发上睡觉，两只小猫在追逐玩耍。外面一声巨大的炮响（带外强干扰信号），两只小猫立刻停止追逐，躲了起来（接收机被抑制）。老猫左眼动了一下眼皮，又睡着了。老猫对这种突然干扰已经有了足够的抑制度。

阻塞干扰是指接收机接收到带外的强干扰信号后，突然进入饱和区，导致信号严重失真。想克服阻塞干扰，需要增加接收机对工作频率范围外信号的抑制能力（即增加带外抑制度）。

接收互调干扰——小明上了地理课

（现象类比）小明上午学习了地理课中的长江中下游的内容，下午又看了《三国演义》中关于东吴孙权的故事。这两个内容（接收到两种不同的内容）在他内心深处引发出强烈的兴趣，使他产生了到南京去旅游的想法（产生新的想法），缠着父母答应他。一个是地理上的知识，一个是文学上的描述，本来都是正常的信息，但是小明内心却把两个东西搅和在一起（交调），产生了强烈的兴趣（交调干扰），让父母很难办。

接收互调干扰就是频率不同的两个或多个干扰信号同时进入接收机，由于接收机自身的非线性而产生的互调产物，正好落在了接收机的工作频带范围内，对系统造成的干扰。

发射互调干扰——小明的朋友上了地理课

（现象类比）小明的一个朋友在地理课上学习了长江中下游的知识，之后看了《三国演义》中关于东吴孙权的部分故事，产生了旅游的想法，他把这种想法告诉了小明，小明非常感兴趣，硬要父母和他一同去。这种兴趣（交调产物）是由别人（发射端）产生的，继而影响到小明（接收端）的。发射互调干扰是指由发射端产生的互调信号传到接收机，正好落在了接收机的工作频带内，对接收机的性能造成了影响。

有两种情况：一种情况是，由于发射机输出端的非线性，一个强信号从发射机的输出端经过一些频率的变化又返回到发射机时，会与发射机的发射信号一起产生互调产物；另外一种情况是，当不同频率的两个或多个强信号同时作用在发射端的某个金属上时，由于金属的非线性产生了互调产物。

同频干扰

指无用信号的载频与有用信号的载频相同，对接收同频有用信号的接收机造成的干扰。通过无线信道规划避开干扰源是最有效的办法。无论是地面站与飞机的WIFI 数据链、RTK广播信号，还是GPS 卫星信号，都会面临同频干扰问题。深圳大漠大智控技术有限公司在业界首先推广使用了手持微型频谱仪，对所有无线信号干扰源进行探测，如对于WIFI 数据链的规划，在WIFI 信道设置时就避开当地已经使用的WIFI 信道，同时合理规划每个WIFI 信道的飞机通信数量，这一点是香农定理发挥作用的最有效的方面；利用微型WIFI 频谱仪还可以准确探测电台干扰源和GPS 干扰源，这在无人机编队表演实践中发挥了重大作用。

邻频干扰

邻频干扰是指相邻或相近频道的信号之间的相互干扰。由于调频信号含有无穷多个边频分量，当其中某些边频分量落入邻道接收机的通带内，就会造成邻频干扰。在实际使用过程中，邻频干扰主要是使用信号频率的相邻频率之间的信号干扰，接收滤波器性能不理想，使得相邻的信号泄漏到了传输带宽内引起干扰。由于频率规划原因造成的邻近区域中存在与本区域工作信道相邻的信道，引起邻频道干扰。通过良好的频点规划，抑制这种干扰。

隔离度——孟母三迁的目的

作用类比）孟母为了让孩子远离影响孩子行为的墓地、集市，搬到了学校附近，主要目的就是让孩子远离影响其身心健康成长的干扰源，通过足够的距离来保证孩子和干扰源间的空间隔离度。隔离度，单位是dB，简而言之，就是抑制干扰的程度。为了尽量减少各种干扰对接收机的影响，需采取抑制干扰措施，以提高隔离度。通常有几种措施，最重要的就是增加空间隔离度、增加空间的距离或者避免方向上和干扰源面对面；再者就是在发射端增加滤波器或者在接收端干扰来的方向上加金属隔离网做屏蔽。

杂散抑制——伟人在大街上读书

（现象类比）小明老是跟父母抱怨外面的交通影响自己的学习，父母教育他：“不要老强调外界原因，你内心需要有很强的抑制外界杂散干扰的能力。有些伟人在大街上读书都不受外界干扰的影响。”

杂散抑制能力是指接收端在接收频带内抑制干扰、提取有用信号的能力，杂散抑制水平是衡量接收机抗干扰能力的指标。

阻塞抑制——集中注意力

现象类比）小明跟父母抱怨楼上装修突然响起的电钻声影响自己的学习，父母教育他：“不要大惊小怪，你如果把注意力集中在学习上，对注意力外的东西抑制能力强的话，就不会感觉到外界的强干扰。”阻塞抑制水平用来衡量接收机对接收频率范围外干扰的抑制能力。提高接收机的线性度，可以增强阻塞抑制能力。

互调抑制——不要想入非非

现象类比）小明自己很容易想入非非，同时也很容易受到别人想入非非的影响。父母告诉他凡事不要想多了，要汲取知识上的有用价值，而不要胡乱想一些不现实的想法。互调抑制是指接收机在工作时对发射互调和接收互调的抑制能力。同时有两个干扰信号进入接收机，它们的3阶交调产物正好落在带内就是互调干扰。提高接收机的线性度、提高3阶截止点、避免金属物体的近距离阻挡，可以增加互调抑制能力。

上海雏鸟科技有限公司使用的无人机编队表演系统采用的通信频段如下：

（1）飞机支持三星定位，三星定位信息如表所示，包括GPS 定位系统，俄罗斯全球卫星导航系统(Global NavigationSatellite System,GLONASS)，北斗卫星导航系统，进行编队飞行时，系统锁定12 颗或以上的卫星才能飞行，在编队表演时，用频谱仪进行GPS信号干扰情况的监测，在表演地点的勘测中，尽量避免在城市高层建筑边，或四周有建筑物遮挡的环境中表演，这些区域的卫星信号被遮挡严重，会导致飞机定位不准，容易引起飞机与高层建筑的碰撞。实际处理中，要进行卫星收星测试，同时也要进行差分广播信号的判断，要求确保飞机在起飞、降落和表演的全过程中，通信基站与飞机之间视距无遮挡。

（2）   飞机与地面站通过5.8G 的频段电磁波进行通信；

（3）   飞机与遥控器通过2.4G 的频段电磁波进行通信；

（4）   飞机与RTK基站通过861-877MHz 的频段电磁波进行通信，表演中需要采集800～900MHz的数传电台频率是否有干扰；

（5）   总指挥与飞手、地勤及相关人员通话的对讲机，工作频率为435.1375~436.1375MHz。