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Come comunicano i nostri droni: le modulazioni

Come comunicano i nostri droni: le modulazioni

- Categoria: Articoli

 

Se hai letto il primo articolo su come funzionano le antenne dei nostri droni (LINK), ormai sei un esperto e non avrai problemi a capire questo nuovo approfondimento.

Nel primo articolo abbiamo parlato del mezzo attraverso il quale drone e radiocomando inviano segnali tra loro; ma, alla fine dei conti, che cosa si dicono, e come se lo dicono?

 

I comandi radio.

I droni volano perché vengono comandati da un operatore a terra, e i comandi dell'operatore si dovranno riflettere immediatamente sul volo del drone. Più il drone volerà veloce, più i comandi dovranno essere veloci, istantanei e senza incertezze.

La comunicazione radio, quindi, deve essere esente da errori.

Per questo si è scelto di utilizzare frequenze radio che permettano comunicazioni digitali ad alta velocità come quelle delle bande Ultra High Frequency (UHF), da 300MHz a 3GHz, o Super High Frequency (SHF), da 3 a 30GHz.

Inoltre, ogni comunicazione viene ripulita dagli errori via software man mano che giunge al ricevitore (FEC - Forward Error Correction).

Più il ricevitore avrà un FEC veloce, più velocemente il drone ed il radiocomando potranno parlarsi e capirsi.

E' importante inoltre che, se sulla frequenza su cui drone e radiocomando stanno comunicando dovessero sopraggiungere dei problemi, come un disturbo o interferenze causate da un altro drone, essi sappiano velocemente cambiare frequenza. Anzi, se potessero addirittura trasmettere "quasi" contemporaneamente su più frequenze, ci sarebbe la certezza che i comandi non vengano ignorati o perduti.

Immagina ad esempio, se i dispositivi sapessero saltellare qui e lì, come se tu volessi parlare con un tuo amico con più telefoni. Avresti la certezza di sentirlo sicuramente anche se un telefono si rompesse o se cadesse la linea.

Il saltellare da una frequenza all'altra, di un determinato range o canale, si chiama FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)

 

Abbiamo già detto che le comunicazioni saranno digitali, perché i comandi digitali sono molto più veloci di quelli a voce, non c'è dubbio. In digitale possiamo inviare una serie di zeri e uno (0 e 1), che comporranno un messaggio con un significato ben preciso per il nostro drone.

L'invio di dati digitali si chiama modulazione.

Ci possono essere tanti tipi di modulazione, così come esistono tante lingue nel mondo, ognuna con le sue caratteristiche, ma gli aspetti veramente importanti sono:

  • quanto riescono a farsi sentire anche in caso di rumore
  • quanto rumore generano nei canali adiacenti alla frequenza su cui modulano
  • quanti dati riescono a trasmettere in una unità di tempo (es. al secondo)

 

Poiché i comandi da inviare al drone non sono poi tantissimi, non certo quanto trasmettere un flusso video, per i soli segnali di comando si è deciso di utilizzare una modulazione denominata FSK (Frequency Shift Keying), dove Mark corrisponde a 1 e Space corrisponde allo 0.

 

 

Se costruirai droni FPV, o anche solo li acquisterai, sentirai parlare di FrSky, TBS Crossfire, ExpressLRS, ecc.

Questi nomi non sono altro che nomi di case costruttrici o progetti open source (ExpressLRS) che creano trasmettitori e ricevitori, con piccole differenze tra loro, e che cercano costantemente di rendere la comunicazione più veloce (anche 500Hz), riducendo i tempi di risposta, migliorando i radiocomandi con filtri tali da renderli più sensibili ma meno soggetti ai disturbi, e introducendo nuove altre caratteristiche che però non modificano il tipo di modulazione, che rimane sempre FSK.

 

 

Il flusso video della camera FPV

Il bello dei droni moderni è che non solo possono volare comandati da un radiocomando, come già facevano tutti i radiomodelli, ma possono anche inviare all'operatore il flusso video catturato da una camera installata sul drone.

Molti droni FPV inviano il video in forma analogica ma, alla fine, si tratta di una trasformazione di un video digitale (CCD), trasformato e inviato in analogico (modulazione FM) e riconvertito in digitale dagli occhiali.

E’ vero che in questa modalità non ci sono ritardi nella trasmissione (sebbene vi siano comunque trasformazioni da analogico a digitale) ma, di contro, la trasmissione non è esente da disturbi, cioè, ad esempio, una non corretta ricezione del colore, o nebbia, o righe, insomma, un qualsiasi artefatto sul monitor.

 

 

Tutti gli altri droni invece, quelli digitali FPV o quelli stabilizzati, trasmetteranno le immagini direttamente in formato digitale o agli occhiali o sul tuo smartphone.

In questo caso però, a differenza dei comandi, le informazioni da inviare saranno tante e quindi sarà necessaria una modulazione tale da poter trasportare molti dati per unità di tempo. Si dovrà arrivare a 20, 30, ma anche 40Mbit/s o addirittura di più (com’è il caso del DJI Mavic 3 o del DJI FPV).

Le modulazioni saranno così complesse da richiedere un trasmettitore digitale ad hoc, con un processore molto veloce (attenzione, riscalderà anche tanto).
Parliamo di modulazioni come QAM, tali per cui non è più possibile saltellare da un punto all’altro del canale perché la sola modulazione occuperà tutto il canale e quindi, per limitare gli errori si adotteranno altre tecniche che spezzettano i dati all’interno della modulazione stessa e con una cadenza di tempo ben precisa.
Questa tecnica si chiama OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

Parliamo ad esempio, delle modulazioni dei droni DJI (Ocusync), o del sistema video DJI Digital FPV System.

Qui in basso si osserva la modulazione digitale OFDM ed anche i comandi in FHSS.

 

 

articolo di Raffaello Di Martino

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