一种电力线路巡检中无人机无线通信系统硬件方案*

曾 瑛，张珮明，付佳佳

（广东电网有限责任公司电力调度控制中心，广东 广州 510000）

0 引言

随着电网规模不断扩大，电力系统快速发展，架空输电线路的覆盖区域越发广泛，越来越多的输电线路架设在重峦叠嶂的山区、环境恶劣的无人区，这对人工巡检提出了巨大挑战。作为全球新一轮科技产业热点的无人机技术，不仅在军事领域迅猛发展，在农林植物保护、石油管道巡检、国土地形测绘和应急灾难救援等场景中也发挥了重要作用。我国国家电网公司在2009 年开始试点应用无人机巡检，2016 年在10 个省份推广新兴巡检模式。无人机正在成为输电线路巡视的重要手段之一，已经开展常态化作业。

目前，用于电力线路巡检无人机的核心技术是无人机与地面站之间双向传输的无线通信系统，主要用来实现遥控遥测指令下发、机载状态回报、机载视频下传。为了减小体积、降低功耗、减轻重量，该系统考虑采用ADI 推出的集成式RF 收发器AD9361 作为无线收发芯片来设计无人机的无线通信系统，该系统还具有灵活性、可配置性、性能优越、带宽可调等优点。

本文首先描述了无人机在电力线路巡检中的应用，然后介绍了大部分无人机的无线通信系统硬件架构，随后介绍了AD9361 的芯片架构和特性，并提出了一种FPGA+单片机+AD9361 架构的无人机无线通信系统硬件设计方案，最后给出了该方案的实际应用结果，为电力线路巡检无人机的小型化、低功耗提出了一种硬件解决方案。

1 无人机电力线路巡检应用现状

2020 年7 月26 日，阿里电力联网工程——迄今为止全世界海拔最高的超高压输变电工程全线贯通。阿里电力联网工程是继青藏电力联网、川藏电力联网、藏中电力联网工程后的第4 条电力天路。对于这样地形复杂多样、气候环境恶劣、高海拔高寒的电力天路，传统的人工巡检方式难度大、效率低、危险系数高。采用“无人机+人工”协同巡检模式可以提升运维检修质量和效率。

无人机的无线通信系统是无人机的技术核心，主要分为超视距卫星中继通信（如图1 所示）、超视距移动中继通信（如图2 所示）、超视距地面中继通信（如图3 所示）、视距无线电通信（如图4所示）等通信方式。超视距卫星中继、移动中继和地面中继通信都是在无人机巡检过程中应用中继通信系统以加强通信信号，从而扩大无人机工作半径。视距无线电通信依赖视距状态下的空地直接链路，无人机工作半径有限，一般都是小型无人机。

无论是轻巧便携、续航能力差的小型无人机，还是功能完善、续航能力强的大型无人机，如果通过优化无人机无线通信系统的硬件架构来达到减小体积、降低功耗、减轻重量的目的，都可以降低无人机的成本，增强无人机的续航能力。

图1 超视距卫星中继通信示意

图2 超视距移动中继通信示意

图3 超视距地面中继通信示意

图4 视距无线电通信示意

2 无人机无线通信系统硬件架构

无人机无线通信系统硬件架构如图5 所示。主要包括基带处理单元、飞控处理单元和射频收发单元。

图5 无人机无线通信系统硬件架构

基带处理单元一般由摄像头和视频编码单元组成。摄像头采集的视频图像经过视频编码模块处理后得到视频流。

一般基带处理单元可以由一片中高端FPGA 实现。视频流通过EMIF 口送给基带处理单元，在FPGA 上进行信号基带调制，在传输视频流的同时可以将一些无人机的状态参数混合调制传输。经过调制完成的IQ 两路数字基带信号输出到射频收发单元。

基带处理单元FPGA 还得完成前向链路的信号解调工作，对射频收发单元输入的经过模数转换的信号进行基带解调，得到无人机遥控遥测指令，传输给飞控处理单元。同时也会接收来自飞控处理单元解析后得到的针对基带处理单元的设置指令和待传输的飞行状态参数。

飞控处理单元由一片单片机实现，通过UART口与信号基带处理单元、射频收发单元及其他机载单元通信。单片机接收来自FPGA 解调后的遥控遥测指令，解析后把各机载单元设置指令分发下去，同时收集机载各单元工作状态回传给FPGA，然后发送给地面站。

射频收发单元由射频芯片、相关电路和天线组成。射频收发单元需要完成两方面工作，一是将天线接收的射频信号经过滤波、下变频、模数处理后发给基带处理单元进行信号基带解调。二是将基带处理单元与基带调制后的数字信号进行数模转换、上变频、滤波后经天线发送给地面站。

射频收发单元是无人机无线通信系统成本最高的部分，也是体积最大、重量最重的一部分。如图6 所示，在类似AD936x 系列、AD937x 系列的集成式RF 收发器面世之前，FPGA 调制的数字基带信号需要经过专门的DAC 转换芯片（比如AD9957、AD9780）转换成模拟信号，基带模拟信号经过专门的中频转换模块上变频到中频信号。与之类似的，天线接收处理得到的信号经过专门的中频转换模块下变频到专门的ADC 转换芯片（如AD9230），经过模数转换后送入FPGA 解调。这种模式不仅成本高、体积大，而且PCB 布局布线复杂。

图6 无人机无线通信系统射频收发单元框图

图7 AD9957 硬件设计框图

以AD9957 为例，如图7 所示AD9957 是一款正交数字上变器，集成了一个高速直接数字频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)、一个高速14位数模转换器(Digital to Analog Converter，DAC)、时钟锁相环路（Phase Locking Loop，PLL）、数字滤波器和其他DSP 功能。可以为通信系统中的发射机数据传输提供基带上变频应用。对其进行PCB 设计时需要和FPGA 有配置交互，还需要给AD9957单独配置参考时钟源。使用相对复杂。

图8 AD9230 硬件设计框图

以AD9230 为例，如图8 所示AD9230 是一款12bit 模数转换芯片，集成了采样/保持和参考电压。最高采样率为250 MSPS，模拟带宽可达700M，可以为宽带通信系统中的接收机提供数据采集应用。对其进行PCB 设计时需要和FPGA 有配置交互，还需要给AD9230 单独配置参考时钟源。使用相对复杂。

3 AD9361 芯片概述

ADI 推出的集成式RF 收发器AD9361 集成了无线收发系统的所有功能，它将信号链封装于一个软件可配置IC 之中，包括混频器、发射和接收通道的频率合成器、模拟滤波、数据转换器和其他功能模块。

图9 AD9361 射频捷变收发器芯片架构示意

AD9361 的信号频率范围是70MHz～6GHz，信号带宽范围是200kHz～56MHz，内部包括TX 和RX两条通信链路。如图9 所示，TX 链路包括DAC、滤波器、发射本振、低噪声放大器；RX 链路包括低噪声放大器、接收本振、滤波器、ADC 等。AD9361 具有强大的可编程能力和出色的接收灵敏度，可应用在各种常见场合，适用于各种通信标准。通过配置AD9361 内部的1000 多个寄存器，我们可以设置其本振频率、采样频率、放大器增益、数字滤波器、发送与接收信号带宽、数字数据接口、发送与接收射频频点、接收功率控制、发射功率等。总而言之，AD9361 的功能十分强大，但也相应增加了软件配置的复杂度，我们需要清楚AD9361 主要功能对应的寄存器的设置方法，才能直观简单地控制芯片当前的工作状态。

AD9361 提供了两种配置控制接口的方式：管脚配置和SPI 控制。在管脚配置模式下，对AD9361 芯片特定几个管脚进行高低电平的控制，能切换芯片当前工作状态，应用范围小。在SPI 控制模式下，通过AD9361 芯片上的SPI 接口与外部控制模块交互，可以实时修改芯片所有寄存器的值，切换芯片当前工作状态。

AD9361 的SPI 控制模式有多种实现方法，比如基于FPGA 逻辑配置方式、基于FPGA 片上Nios配置方式、基于单片机配置方式等。表1 从软件、硬件设计两个角度来分析FPGA 逻辑配置方式、FPGA 片上Nios 配置方式、FPGA+单片机配置方式的特性。

表1 AD9361 三种配置方式的软、硬件设计特性

从表1 可以看出：

①基于FPGA逻辑配置方式虽然节省硬件资源，但是FPGA 的开发环境不适合对AD9361 内部上千个寄存器不定时的读取赋值，也不适用AD9361 与外部配置模块之间的闭环校验功能。

②基于FPGA 片上Nios 配置方式虽然节省硬件资源，也适合对AD9361 内部上千个寄存器的频繁赋值，但是Nios II 作为FPGA 片上嵌入式处理器，在跨芯片平台、跨芯片系列使用时并不适用。

③基于单片机的配置方式不仅适合对AD9361内部上千个寄存器的频繁赋值，也可以跨芯片平台、跨芯片系列使用，移植性强。

4 无人机无线通信系统优化方案

本文提出的一款电力线路巡检中无人机无线通信系统硬件设计方案如图10 所示。

图10 无人机无线通信系统硬件设计方案

根据图10 的设计，我们设计了一款基于AD9361 的收发一体的电力线路巡检中无人机无线通信系统。主要芯片的选型如表2 所示。

表2 基于AD9361 收发一体的芯片选型

如表3 所示，Intel 公司的Cyclone V 系列5CEFA9F23I7 型号FPGA 价格适中，芯片资源足够完成调制解调功能，故一片FPGA 可以完成基带处理任务。

单片机选用GD32F407，价格为20～30 元，不仅能完成原有的飞控处理任务，而且能完成对2 片AD9361 的配置。

射频收发单元优化为2 片AD9361、外围电路和天线。同时主要从以下几点来考虑AD9361 的设计。

①虽然AD9361 支持双工FDD 模式，内部集成了DAC/ADC 射频2×2 收发器，可以满足同频点同时收发。但是实际应用场景中前向链路发送无人机飞行控制指令，返向链路传输视频图像，收发链路不在同一个频点上，因此设计2 路AD9361 分别完成无人机发送和接收射频前端的功能。

表3 5CEFA9F23I7 芯片详情

②从实时切换AD9361 芯片状态的角度来考虑，本方案中利用单片机与2 片AD9361 直连，通过SPI 配置AD9361。

③考虑到飞控处理单元本身就有一片单片机，可以同时承担飞行控制指令的解析和AD9361 的配置工作，不需要额外增加硬件电路。因此本方案采用基于单片机配置AD9361 的方法。

图11 基于单片机配置方式软件设计

如图11 所示，基于单片机配置方式的软件设计主要流程为：用户更改AD9361 的工作参数，对应功能函数计算出相关寄存器的值并赋值，生成相应指令流，校验成功后发送给AD9361，如果未校验成功则重新校验。AD9361 收到指令流并解析成功后返回校验指令，如果校验未成功则重新生成指令并发送，如果校验成功表明AD9361 已配置成功，随后等待下一次工作参数的配置。由此形成一个闭环的配置校验过程。

5 系统测试

搭建基于AD9361 的用于电力巡检无人机无线通信系统测试环境，实现无人机中频环下自发自收。在FPGA 内部产生一个16.384MHz 业务速率的QPSK 信号，符号速率65.536MSPS，经过成型滤波后送入发送端AD9361 的IQ 两路，经中频口输出至接收端AD9361 的中频口，经过模数转换后将零中频信号送入FPGA，进行QPSK 解调。

FPGA 内部信号调制解调的主要处理流程如图12 所示。待传输的数据经过组帧、LDPC 编码、成型滤波送入发端AD9361 进行中频模拟信号调制。上变频后的中频调制信号经过中频线环回收端AD9361，模拟信号经过下变频、模数转换等过程后得到的基带数字信号送入FPGA，再经过匹配滤波、下变频、定时同步、LDPC 译码、解帧后得到恢复的数据。

基于AD9361 的用于电力巡检无人机无线通信系统测试的主要工作参数如下：

①发射和接收频率为2.85GHz；

②发射、接收带宽为30MHz；

③发射电平为－30dBm。

图13 是SignalTap II Logic Analyzer 采 集 到AD9361 实时待发送的数据。上面两行是成型滤波前的IQ 两路信号，下面两行是经过成型滤波后的IQ 两路信号。

图14 给出了QPSK 调制信号的发射频谱，中心频点CENTER 是2.85000GHz，观测带宽SPAN是30.00MHz，通道内功率TOTAL 为－29.7dBm，与发射电平－30dBm 可以对应上。

图12 FPGA 内部调制解调流程

图13 FPGA+SDRAM 采集成型滤波后的IQ 两路数据

图14 AD9361 发出的QPSK 中频信号谱

图15 给出了AD9361 接收到信号处理后，零中频信号送入FPGA 并经过QPSK 解调后，得到的信号星座图，可以看到信号解调正常，已恢复出QPSK 的4 个星座点。

图15 QPSK 解调后的星座图

6 结语

针对在电力线路巡检中无人机应用的普及，对无人机的小型化和低功耗的要求也日益提升。在这样的背景下，本文提出了基于AD9361 的无人机无线通信系统。通过硬件架构设计、主要芯片选型、AD9361 的配置方式等方面详细介绍了该无线通信系统方案，并提出了设计中关于主要芯片选型的原因和使用方法，最后给出了系统测试结果。本文介绍的基于AD9361 的无人机无线通信系统具有较强的实际使用价值，在工程实现中能够得到应用。