无线遥控基本原理

这篇文章将讨论无线电遥控的基本原理，从此我们将可以区分许多常见的遥控问题。

更重要的是我们将消除一些常见的误解，例如FM（调频-译者注）比AM（调幅）好或者PCM（脉冲编码调制）比PPM（比例脉冲调制）好等。

每个系统都有它的优点和缺点，了解这些你就可以选择最合适自己的那一种系统。

劳斯莱斯至少比丰田凯美瑞贵五倍，但是它却不一定使你的驾驶感觉更好，对大多数司机来说可能更糟（我们中国人可能不一样，劳斯莱斯有面子）。

遥控设备的价格并不等同於相应的性能。

由遥控模型专家George Steiner进行的独立测试证明，某些廉价的遥控设备也能挤身最好之列。

接收机的内部让我们从接收机系统开始。

你的家用AM/FM立体声通常包括3个部分：调谐器、音频功放和扬声器（音箱）。

类似的，遥控模型接收系统也由3个部分组成：调谐、解码和伺服（就是舵机）。

调谐、放大以及解码电路都封装在接收机内。

家用收音机的调谐器选择你想要的电台，同时排除其它电台的信号，然后将解调后的音乐传递给音频功
放。

类似的，模型接收机调谐器仅仅锁定接收晶体确定的那个频率，除掉72Mhz或者50Mhz的载频，将解调后的信号传给解码器。

解码器从码流中挑选出单独的伺服信号脉冲并送到相应的引脚。

请注意音频功放和扬声器并不知道音乐是来至AM还是FM的广播站。

类似的，模型接收机的解码器也不关心上一级的信号是使用AM还是FM调制。

舵机收到的位置信号也是标准化的，所以任意品牌的舵机可以和任意品牌的接收机相连，就像所有的8Ω扬声器都可以插到任意牌子的立体声收音机一样（现在很多喇叭4Ω的）。

伺服信号怎样编码让我们来研究一下位置信息是如何传送给每一个舵机。

这由信号脉冲的0电压（OFF-低电平）和大约3.3V 电压（ON-高电平）来表示（Futaba高电平是2.8V-3.3V，JR和其它是5V-译者注）。

位置信息由脉冲在ON状态的时间长度决定。

这种脉冲占用2毫秒的时间片，每秒钟重复50次。

脉冲的宽度在1毫秒-2毫秒之间变化，它决定了舵机的角度，1mS对应舵机的左边最大角度，1.5mS对应中间位置，2mS
对应最右边。

在剩下的约18.5mS时间里，该信号一直保持低电平。

这种大约1.5mS高电平（3.3V-5V）紧接着18.5mS低电平（0V)的脉冲信号，不断的重复着。

信号脉冲沿着黄色（JR)或者白色（Futaba）的线传输给舵机，使用黑色（Futaba）或者棕色（JR)的线作为公共端（电池负极，0V)。

红色的线提供舵机工作所需的电源正电压。

舵机本身的原理将稍后讨论，但是要注意的关键点是：* 舵机的位置和供电电池的电压无关，它仅仅由输入脉冲宽度决定
* 舵机的内部机制和位置信号无关。

* 位置信号（在白线上）相对较弱，主要的驱动功率来自红线和黑线。

最后一点解释了为什么长距离的舵机线比较容易受到电磁噪声的干扰，特别是在电动飞机上通过红线（主功率线）传过来的噪声。

任何扰乱脉冲信号的噪声都将导致舵机行为不正常。

你可能会好奇为什么伺服信号有一个固定的开头1毫秒高电平周期。

这其实是舵机的同步脉冲，它指示舵机电路紧接着的是实际的占空比位置信息。

换句话说，舵机等待直到信
号电压从低电平变成高电平，在精确地等待1mS时间后，开始解码接下来的1mS位置脉冲。

因此信号脉冲用不着每秒钟精确的重复50次。

该脉冲信号也提供了发射机是否工作的信息，如果长时间没有同步脉冲。

当发射机关掉的时候，将长时间持续低电平，某些设备例如坠机定位器正是使用这个特征来激活一个蜂鸣器。

驱动多个舵机- PPM 为什么舵机位置脉冲仅仅2毫秒宽，而要空闲长达18毫秒来等待下一个脉冲呢？是的，这剩下的空间就是留给其它的舵机的。

每一个伺服信号被分配一个2毫秒的时隙，于是总共可以有20/2=10个舵机可以被分别驱动。

换句话说，真实的信号是一个脉冲序列，第一个2毫秒的脉冲分配给第一个舵机，第二个2毫秒的脉冲分配给第二个舵机，依此类推。

这个脉冲序列，或者叫“帧”，每20毫秒重复一次，也即每秒钟50次。

接收机的解码电路把该脉冲序列分割为单独的伺服脉冲并把它们传送给相应的舵机。

跟一台立体声收音机把经过编码的立体声信号分割为左右两个声道有点类似。

因此对于伺服
信号，我们也存在相似的同步问题。

到底哪一个2毫秒的信号属于第一个舵机？换句话说我们怎么来确定哪里是一个帧的开头呢？为了解决这个问题，紧接着最后一个脉冲，保持信号电压为低电平至少2毫秒，该低电平持续时间比任何一个合理的最长的伺服信号都要长。

因此解码器只需要等待2个毫秒的低电平时间就可以识别出脉冲序列的头部。

而紧接着的第一个脉冲就是第一路伺服信号。

这个2毫秒的低电平周期就是“同步脉冲”（它可以长于2毫秒，四通道的可能是8毫秒或者更长）。

此外，因为总是有一个1mS或更长的高电平紧跟着该2mS低电平的同步脉冲，因此提供了一个精确的“帧头”指示接下来的伺服帧。

这种简单地把基本伺服脉冲插入帧的方法就叫做比例脉冲调制PPM，你现在已经知道了PPM的含义。

PPM可能很简单但它是一种优美的编码方式同时非常健壮（抵抗错误的能力）。

基于对PPM的了解，我们可以推断：
* 长于2mS的外部干扰将损坏多路伺服信号，所以这种外部干扰信号产生的抖动将同
时出现在所有的通道上。

（当然，干扰信号未必会以精确的每秒50次的周期重复）
* PPM能够同时驱动的舵机数量，20-2ms=18ms，每个舵机2ms，18/2=9个舵机。

这就解释了为什么PPM接收机产品序列的最高端就是9通道。

* 舵机位置与信号强度无关，所以距离不会影响控制除非收不到信号。

* 即是一个帧出错，接下来的帧也将被快速的同步，所以“抖动”的影响是短暂的。

* 因为帧头是由低电平到高电平的跳变标出，而不是由精确的每秒50次的计数，所以PPM的“帧率”是灵活的，四通道发射机可以达到70帧/秒。

这对于爱淘二手货的爱好者是一个福音，因为每种牌子发射机和接收机的交换性相当好（甚至跨品牌，我们接下来将讨论）。

* 通道数量不同的接收机和发射机可以混用。

例如4通道的发射机可以控制6通道的接收机，或者相反。

多出来的脉冲信号被发射机简单的保持低电平或者被接收机忽略。

PCM
PCM（脉冲编码调制）和PPM的关系就像CD和电唱机的关系。

唱片是“模拟的”，唱针沿着波浪状的螺纹移动。

而CD将每个声道的音乐信号振幅，以每秒44,100次的采样频率，用数字信号记录下来。

就像我们已经知道的，PPM以每秒50次，占空比在1-2ms之间变化，来编码舵机位置信息。

占空比可以在0到100%之间任意取值，因此PPM是“模拟的”。

PCM编码舵机位置信息的方式和计算机Modem通过线发送数据的方式几乎一样。

因此每个在20到23毫秒PCM 帧中的2ms包含着一个数字，第一个2ms 编码第一个通道的，第二个2ms编码第二个通道的，依此类推。

这个数是二进制的，在十进制中，一位数可以表达0-1，两位数可以表达0-99，依此类推，而在二进制中，一位数可以表达0-1，二位数可以表达0-3，三位数可以表达0-7等等。

对于PCM，二进制数的位数可能是8（0-255），9（0-511）或者10（0-1023），依赖于具体的厂商。

所以，举例来说，Futaba PCM 1024可能发送0表示左满舵，511表示中位，1023表示右
满舵。

真实的位数和同步编码方式往往为各个厂家私有。

所以，不象PPM，PCM发射机和接收机往往不能互换。

“数字编码”限制了舵机的位置数量（上例中为1023步），但是这影响不大。

PCM的优点在于精确，例如，255永远表示中位（9bit编码），与之相反，一个马虎的PPM发射机可能用1.45ms中位来代替1.5ms。

噪声也会扰乱PPM脉冲造成舵机位置误读。

数字系统可以通过加入校验码来进行纠错。

CD采用了此种技术，显著的提高了抗干扰能力。

因为PCM接收机驱动的是标准的模拟舵机，需要最终将数字信号翻译为比例伺服脉冲。

因此以上提到的优势只存在于发射机和接收机之间的精确通信上。

不幸的是，PCM也有它的阿基里斯脚后踵（命门-译者注）。

甚至最小的外部噪声也会损坏那些复杂的二进制编码而根本不能被纠错。

简单的PPM脉冲可能会被干扰损坏，但是未损坏的脉冲仍然能够起作用。

这是在完全失控（PCM）和部分失控（PPM)中间选择。

（复杂吧我来解释一下，他的意思就是PCM
一受干扰就全部完蛋，所有的通道都不受控制。

而PPM至少还有部分通道受控制-译者）。

大多数的R/C玩家都宁愿有部分控制，尽管这很不稳定。

PCM系统引以为自豪的是“fail-safe"模式，假如丢失信号，该模式将把所有的舵机设置到预先由玩家设定的位置。

例如所有的舵机都设定到中位，除了方向舵稍偏一点点，这样或许能够将飞机盘旋，挽救飞机。

但是假如失控前你正在转弯，那么你可能要以禅的定力看着它撞向地面。