一種電力線路巡檢中無人機(jī)無線通信系統(tǒng)硬件方案*

曾 瑛，張珮明，付佳佳

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電力系統(tǒng)快速發(fā)展，架空輸電線路的覆蓋區(qū)域越發(fā)廣泛，越來越多的輸電線路架設(shè)在重巒疊嶂的山區(qū)、環(huán)境惡劣的無人區(qū)，這對人工巡檢提出了巨大挑戰(zhàn)。作為全球新一輪科技產(chǎn)業(yè)熱點(diǎn)的無人機(jī)技術(shù)，不僅在軍事領(lǐng)域迅猛發(fā)展，在農(nóng)林植物保護(hù)、石油管道巡檢、國土地形測繪和應(yīng)急災(zāi)難救援等場景中也發(fā)揮了重要作用。我國國家電網(wǎng)公司在2009 年開始試點(diǎn)應(yīng)用無人機(jī)巡檢，2016 年在10 個省份推廣新興巡檢模式。無人機(jī)正在成為輸電線路巡視的重要手段之一，已經(jīng)開展常態(tài)化作業(yè)。

目前，用于電力線路巡檢無人機(jī)的核心技術(shù)是無人機(jī)與地面站之間雙向傳輸?shù)臒o線通信系統(tǒng)，主要用來實(shí)現(xiàn)遙控遙測指令下發(fā)、機(jī)載狀態(tài)回報、機(jī)載視頻下傳。為了減小體積、降低功耗、減輕重量，該系統(tǒng)考慮采用ADI 推出的集成式RF 收發(fā)器AD9361 作為無線收發(fā)芯片來設(shè)計無人機(jī)的無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)還具有靈活性、可配置性、性能優(yōu)越、帶寬可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。

本文首先描述了無人機(jī)在電力線路巡檢中的應(yīng)用，然后介紹了大部分無人機(jī)的無線通信系統(tǒng)硬件架構(gòu)，隨后介紹了AD9361 的芯片架構(gòu)和特性，并提出了一種FPGA+單片機(jī)+AD9361 架構(gòu)的無人機(jī)無線通信系統(tǒng)硬件設(shè)計方案，最后給出了該方案的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果，為電力線路巡檢無人機(jī)的小型化、低功耗提出了一種硬件解決方案。

1 無人機(jī)電力線路巡檢應(yīng)用現(xiàn)狀

2020 年7 月26 日，阿里電力聯(lián)網(wǎng)工程——迄今為止全世界海拔最高的超高壓輸變電工程全線貫通。阿里電力聯(lián)網(wǎng)工程是繼青藏電力聯(lián)網(wǎng)、川藏電力聯(lián)網(wǎng)、藏中電力聯(lián)網(wǎng)工程后的第4 條電力天路。對于這樣地形復(fù)雜多樣、氣候環(huán)境惡劣、高海拔高寒的電力天路，傳統(tǒng)的人工巡檢方式難度大、效率低、危險系數(shù)高。采用“無人機(jī)+人工”協(xié)同巡檢模式可以提升運(yùn)維檢修質(zhì)量和效率。

無人機(jī)的無線通信系統(tǒng)是無人機(jī)的技術(shù)核心，主要分為超視距衛(wèi)星中繼通信（如圖1 所示）、超視距移動中繼通信（如圖2 所示）、超視距地面中繼通信（如圖3 所示）、視距無線電通信（如圖4所示）等通信方式。超視距衛(wèi)星中繼、移動中繼和地面中繼通信都是在無人機(jī)巡檢過程中應(yīng)用中繼通信系統(tǒng)以加強(qiáng)通信信號，從而擴(kuò)大無人機(jī)工作半徑。視距無線電通信依賴視距狀態(tài)下的空地直接鏈路，無人機(jī)工作半徑有限，一般都是小型無人機(jī)。

無論是輕巧便攜、續(xù)航能力差的小型無人機(jī)，還是功能完善、續(xù)航能力強(qiáng)的大型無人機(jī)，如果通過優(yōu)化無人機(jī)無線通信系統(tǒng)的硬件架構(gòu)來達(dá)到減小體積、降低功耗、減輕重量的目的，都可以降低無人機(jī)的成本，增強(qiáng)無人機(jī)的續(xù)航能力。

圖1 超視距衛(wèi)星中繼通信示意

圖2 超視距移動中繼通信示意

圖3 超視距地面中繼通信示意

圖4 視距無線電通信示意

2 無人機(jī)無線通信系統(tǒng)硬件架構(gòu)

無人機(jī)無線通信系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖5 所示。主要包括基帶處理單元、飛控處理單元和射頻收發(fā)單元。

圖5 無人機(jī)無線通信系統(tǒng)硬件架構(gòu)

基帶處理單元一般由攝像頭和視頻編碼單元組成。攝像頭采集的視頻圖像經(jīng)過視頻編碼模塊處理后得到視頻流。

一般基帶處理單元可以由一片中高端FPGA 實(shí)現(xiàn)。視頻流通過EMIF 口送給基帶處理單元，在FPGA 上進(jìn)行信號基帶調(diào)制，在傳輸視頻流的同時可以將一些無人機(jī)的狀態(tài)參數(shù)混合調(diào)制傳輸。經(jīng)過調(diào)制完成的IQ 兩路數(shù)字基帶信號輸出到射頻收發(fā)單元。

基帶處理單元FPGA 還得完成前向鏈路的信號解調(diào)工作，對射頻收發(fā)單元輸入的經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換的信號進(jìn)行基帶解調(diào)，得到無人機(jī)遙控遙測指令，傳輸給飛控處理單元。同時也會接收來自飛控處理單元解析后得到的針對基帶處理單元的設(shè)置指令和待傳輸?shù)娘w行狀態(tài)參數(shù)。

飛控處理單元由一片單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過UART口與信號基帶處理單元、射頻收發(fā)單元及其他機(jī)載單元通信。單片機(jī)接收來自FPGA 解調(diào)后的遙控遙測指令，解析后把各機(jī)載單元設(shè)置指令分發(fā)下去，同時收集機(jī)載各單元工作狀態(tài)回傳給FPGA，然后發(fā)送給地面站。

射頻收發(fā)單元由射頻芯片、相關(guān)電路和天線組成。射頻收發(fā)單元需要完成兩方面工作，一是將天線接收的射頻信號經(jīng)過濾波、下變頻、模數(shù)處理后發(fā)給基帶處理單元進(jìn)行信號基帶解調(diào)。二是將基帶處理單元與基帶調(diào)制后的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換、上變頻、濾波后經(jīng)天線發(fā)送給地面站。

射頻收發(fā)單元是無人機(jī)無線通信系統(tǒng)成本最高的部分，也是體積最大、重量最重的一部分。如圖6 所示，在類似AD936x 系列、AD937x 系列的集成式RF 收發(fā)器面世之前，F(xiàn)PGA 調(diào)制的數(shù)字基帶信號需要經(jīng)過專門的DAC 轉(zhuǎn)換芯片（比如AD9957、AD9780）轉(zhuǎn)換成模擬信號，基帶模擬信號經(jīng)過專門的中頻轉(zhuǎn)換模塊上變頻到中頻信號。與之類似的，天線接收處理得到的信號經(jīng)過專門的中頻轉(zhuǎn)換模塊下變頻到專門的ADC 轉(zhuǎn)換芯片（如AD9230），經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入FPGA 解調(diào)。這種模式不僅成本高、體積大，而且PCB 布局布線復(fù)雜。

圖6 無人機(jī)無線通信系統(tǒng)射頻收發(fā)單元框圖

圖7 AD9957 硬件設(shè)計框圖

以AD9957 為例，如圖7 所示AD9957 是一款正交數(shù)字上變器，集成了一個高速直接數(shù)字頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)、一個高速14位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(Digital to Analog Converter，DAC)、時鐘鎖相環(huán)路（Phase Locking Loop，PLL）、數(shù)字濾波器和其他DSP 功能。可以為通信系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)傳輸提供基帶上變頻應(yīng)用。對其進(jìn)行PCB 設(shè)計時需要和FPGA 有配置交互，還需要給AD9957單獨(dú)配置參考時鐘源。使用相對復(fù)雜。

圖8 AD9230 硬件設(shè)計框圖

以AD9230 為例，如圖8 所示AD9230 是一款12bit 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，集成了采樣/保持和參考電壓。最高采樣率為250 MSPS，模擬帶寬可達(dá)700M，可以為寬帶通信系統(tǒng)中的接收機(jī)提供數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。對其進(jìn)行PCB 設(shè)計時需要和FPGA 有配置交互，還需要給AD9230 單獨(dú)配置參考時鐘源。使用相對復(fù)雜。

3 AD9361 芯片概述

ADI 推出的集成式RF 收發(fā)器AD9361 集成了無線收發(fā)系統(tǒng)的所有功能，它將信號鏈封裝于一個軟件可配置IC 之中，包括混頻器、發(fā)射和接收通道的頻率合成器、模擬濾波、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和其他功能模塊。

圖9 AD9361 射頻捷變收發(fā)器芯片架構(gòu)示意

AD9361 的信號頻率范圍是70MHz～6GHz，信號帶寬范圍是200kHz～56MHz，內(nèi)部包括TX 和RX兩條通信鏈路。如圖9 所示，TX 鏈路包括DAC、濾波器、發(fā)射本振、低噪聲放大器；RX 鏈路包括低噪聲放大器、接收本振、濾波器、ADC 等。AD9361 具有強(qiáng)大的可編程能力和出色的接收靈敏度，可應(yīng)用在各種常見場合，適用于各種通信標(biāo)準(zhǔn)。通過配置AD9361 內(nèi)部的1000 多個寄存器，我們可以設(shè)置其本振頻率、采樣頻率、放大器增益、數(shù)字濾波器、發(fā)送與接收信號帶寬、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)接口、發(fā)送與接收射頻頻點(diǎn)、接收功率控制、發(fā)射功率等。總而言之，AD9361 的功能十分強(qiáng)大，但也相應(yīng)增加了軟件配置的復(fù)雜度，我們需要清楚AD9361 主要功能對應(yīng)的寄存器的設(shè)置方法，才能直觀簡單地控制芯片當(dāng)前的工作狀態(tài)。

AD9361 提供了兩種配置控制接口的方式：管腳配置和SPI 控制。在管腳配置模式下，對AD9361 芯片特定幾個管腳進(jìn)行高低電平的控制，能切換芯片當(dāng)前工作狀態(tài)，應(yīng)用范圍小。在SPI 控制模式下，通過AD9361 芯片上的SPI 接口與外部控制模塊交互，可以實(shí)時修改芯片所有寄存器的值，切換芯片當(dāng)前工作狀態(tài)。

AD9361 的SPI 控制模式有多種實(shí)現(xiàn)方法，比如基于FPGA 邏輯配置方式、基于FPGA 片上Nios配置方式、基于單片機(jī)配置方式等。表1 從軟件、硬件設(shè)計兩個角度來分析FPGA 邏輯配置方式、FPGA 片上Nios 配置方式、FPGA+單片機(jī)配置方式的特性。

表1 AD9361 三種配置方式的軟、硬件設(shè)計特性

從表1 可以看出：

①基于FPGA邏輯配置方式雖然節(jié)省硬件資源，但是FPGA 的開發(fā)環(huán)境不適合對AD9361 內(nèi)部上千個寄存器不定時的讀取賦值，也不適用AD9361 與外部配置模塊之間的閉環(huán)校驗(yàn)功能。

②基于FPGA 片上Nios 配置方式雖然節(jié)省硬件資源，也適合對AD9361 內(nèi)部上千個寄存器的頻繁賦值，但是Nios II 作為FPGA 片上嵌入式處理器，在跨芯片平臺、跨芯片系列使用時并不適用。

③基于單片機(jī)的配置方式不僅適合對AD9361內(nèi)部上千個寄存器的頻繁賦值，也可以跨芯片平臺、跨芯片系列使用，移植性強(qiáng)。

4 無人機(jī)無線通信系統(tǒng)優(yōu)化方案

本文提出的一款電力線路巡檢中無人機(jī)無線通信系統(tǒng)硬件設(shè)計方案如圖10 所示。

圖10 無人機(jī)無線通信系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

根據(jù)圖10 的設(shè)計，我們設(shè)計了一款基于AD9361 的收發(fā)一體的電力線路巡檢中無人機(jī)無線通信系統(tǒng)。主要芯片的選型如表2 所示。

表2 基于AD9361 收發(fā)一體的芯片選型

如表3 所示，Intel 公司的Cyclone V 系列5CEFA9F23I7 型號FPGA 價格適中，芯片資源足夠完成調(diào)制解調(diào)功能，故一片F(xiàn)PGA 可以完成基帶處理任務(wù)。

單片機(jī)選用GD32F407，價格為20～30 元，不僅能完成原有的飛控處理任務(wù)，而且能完成對2 片AD9361 的配置。

射頻收發(fā)單元優(yōu)化為2 片AD9361、外圍電路和天線。同時主要從以下幾點(diǎn)來考慮AD9361 的設(shè)計。

①雖然AD9361 支持雙工FDD 模式，內(nèi)部集成了DAC/ADC 射頻2×2 收發(fā)器，可以滿足同頻點(diǎn)同時收發(fā)。但是實(shí)際應(yīng)用場景中前向鏈路發(fā)送無人機(jī)飛行控制指令，返向鏈路傳輸視頻圖像，收發(fā)鏈路不在同一個頻點(diǎn)上，因此設(shè)計2 路AD9361 分別完成無人機(jī)發(fā)送和接收射頻前端的功能。

表3 5CEFA9F23I7 芯片詳情

②從實(shí)時切換AD9361 芯片狀態(tài)的角度來考慮，本方案中利用單片機(jī)與2 片AD9361 直連，通過SPI 配置AD9361。

③考慮到飛控處理單元本身就有一片單片機(jī)，可以同時承擔(dān)飛行控制指令的解析和AD9361 的配置工作，不需要額外增加硬件電路。因此本方案采用基于單片機(jī)配置AD9361 的方法。

圖11 基于單片機(jī)配置方式軟件設(shè)計

如圖11 所示，基于單片機(jī)配置方式的軟件設(shè)計主要流程為：用戶更改AD9361 的工作參數(shù)，對應(yīng)功能函數(shù)計算出相關(guān)寄存器的值并賦值，生成相應(yīng)指令流，校驗(yàn)成功后發(fā)送給AD9361，如果未校驗(yàn)成功則重新校驗(yàn)。AD9361 收到指令流并解析成功后返回校驗(yàn)指令，如果校驗(yàn)未成功則重新生成指令并發(fā)送，如果校驗(yàn)成功表明AD9361 已配置成功，隨后等待下一次工作參數(shù)的配置。由此形成一個閉環(huán)的配置校驗(yàn)過程。

5 系統(tǒng)測試

搭建基于AD9361 的用于電力巡檢無人機(jī)無線通信系統(tǒng)測試環(huán)境，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)中頻環(huán)下自發(fā)自收。在FPGA 內(nèi)部產(chǎn)生一個16.384MHz 業(yè)務(wù)速率的QPSK 信號，符號速率65.536MSPS，經(jīng)過成型濾波后送入發(fā)送端AD9361 的IQ 兩路，經(jīng)中頻口輸出至接收端AD9361 的中頻口，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后將零中頻信號送入FPGA，進(jìn)行QPSK 解調(diào)。

FPGA 內(nèi)部信號調(diào)制解調(diào)的主要處理流程如圖12 所示。待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過組幀、LDPC 編碼、成型濾波送入發(fā)端AD9361 進(jìn)行中頻模擬信號調(diào)制。上變頻后的中頻調(diào)制信號經(jīng)過中頻線環(huán)回收端AD9361，模擬信號經(jīng)過下變頻、模數(shù)轉(zhuǎn)換等過程后得到的基帶數(shù)字信號送入FPGA，再經(jīng)過匹配濾波、下變頻、定時同步、LDPC 譯碼、解幀后得到恢復(fù)的數(shù)據(jù)。

基于AD9361 的用于電力巡檢無人機(jī)無線通信系統(tǒng)測試的主要工作參數(shù)如下：

①發(fā)射和接收頻率為2.85GHz；

②發(fā)射、接收帶寬為30MHz；

③發(fā)射電平為－30dBm。

圖13 是SignalTap II Logic Analyzer 采 集 到AD9361 實(shí)時待發(fā)送的數(shù)據(jù)。上面兩行是成型濾波前的IQ 兩路信號，下面兩行是經(jīng)過成型濾波后的IQ 兩路信號。

圖14 給出了QPSK 調(diào)制信號的發(fā)射頻譜，中心頻點(diǎn)CENTER 是2.85000GHz，觀測帶寬SPAN是30.00MHz，通道內(nèi)功率TOTAL 為－29.7dBm，與發(fā)射電平－30dBm 可以對應(yīng)上。

圖12 FPGA 內(nèi)部調(diào)制解調(diào)流程

圖13 FPGA+SDRAM 采集成型濾波后的IQ 兩路數(shù)據(jù)

圖14 AD9361 發(fā)出的QPSK 中頻信號譜

圖15 給出了AD9361 接收到信號處理后，零中頻信號送入FPGA 并經(jīng)過QPSK 解調(diào)后，得到的信號星座圖，可以看到信號解調(diào)正常，已恢復(fù)出QPSK 的4 個星座點(diǎn)。

圖15 QPSK 解調(diào)后的星座圖

6 結(jié)語

針對在電力線路巡檢中無人機(jī)應(yīng)用的普及，對無人機(jī)的小型化和低功耗的要求也日益提升。在這樣的背景下，本文提出了基于AD9361 的無人機(jī)無線通信系統(tǒng)。通過硬件架構(gòu)設(shè)計、主要芯片選型、AD9361 的配置方式等方面詳細(xì)介紹了該無線通信系統(tǒng)方案，并提出了設(shè)計中關(guān)于主要芯片選型的原因和使用方法，最后給出了系統(tǒng)測試結(jié)果。本文介紹的基于AD9361 的無人機(jī)無線通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)際使用價值，在工程實(shí)現(xiàn)中能夠得到應(yīng)用。