Rc távirányító alapok - jelmoduláció fejlődése
Kezdetben vala az ősrobbanás, közvetlenül utána az AM korszak. Ez olyan régen volt, hogy az emberek még fura hajat hordtak és trapéznadrágot viseltek, szóval már senki sem tudja mikor, de biztosan az FM korszak előtt, ami a 80-as évek elején tört be a modellezés világába. Ezeket hívjuk úgynevezett keskeny sávú jelmodulációnak (narrow band modulation method). Na de mi a jó eget jelent az AM? Röviden, egy hullámnak alapvetően két jellemzője van, a kitérése, ez az amplitúdó és ismétlődése, ez a frekvencia (ebből jön az FM, ami frequency modulation-t jelent). Az amplitúdó határozza meg, hogy a középállapothoz képest mennyire tér ki a jel. Ez a jelhullám egy vivő hullámon ül (carrier signal), az információt pedig a vivő hullámhoz tartozó hullám amplitúdó(jelszint) változásából származtatjuk. Az információ mindig egy adott frekvencián kerül leadásra,erre a legegyszerűbb példa az, amikor a rádión a megfelelő gombokat tekergetve ráhangoljuk a rádiót egy adott frekvenciára, ahol bejön az adás (pl. Petőfi Rádió Budapesten 94,8 MHZ). 
Az amplitúdó modulációt nem szeretjük, mert nagyon könnyű megzavarni, különösen érzékeny a különböző elektromos berendezések által gerjesztett mágneses térváltozásokra (pl. turmixgép a konyhában vagy egy autó gyújtási rendszere), ami végső soron jelvesztést eredményezne az irányításban. Más dolgok is zavarják, pl. a fém felületek, már pedig a tárgyakat jellemzően nem vizes WC-papírból építik a kedvünkért . A jelvesztés rossz ÉÉÉÉRTEEEM? Kerestem nektek egy frankó animált gifet, ami visszaadja a kor szellemét, élvezzétek és közben ugorjunk az FM átvitelre.
Az FM átvitel, vagy más néven frekvencia modulált átvitel a 80-as évek elején gyűrűzött be a modellezésbe. Itt nem a jel amplitúdóját, hanem az ismétlés gyakoriságát változtatták (a frekvenciát), ez érzéketlen az amplitúdó változásra és így az elektromos terek által gerjesztett zavaró hatásra is. Fontos azt megemlíteni, hogy az AM és az FM átvitel analóg adás, hiszen a PCM-el ez majd meg fog változni. A gond az FM alapú átvitellel az, hogy pl. a mozgó alkatrészek is képesek a frekvenciát zavarni, mert elektromos zajt bocsájtanak ki, amit viszont a vevő oldal értelmes FM adásnak értelmezhet, így a vezérlés "akadozni" kezd. Ha ez tovább tart 1-2 másodpercnél, jön a csúnya lezuhanás.
Ennek kiküszöbölésére született meg a PCM vagy más néven a pulzus kód moduláció (pulse code modulation). Azért tudott előre törni a PCM, mert ekkor (mármint 20 évvel ezelőtt) már rendelkezésre álltak olcsó mikrovezérlő áramkörök, így át lehetett alakítani az adó jeleit analógról digitálisra (sok-sok nullára és egyre), amelyet egy digitális processzorchip végzett el. Az adó digitálisan elküldi a vezérlő jeleket, amiket a vevő fogad, majd vissza fordítja analóg jelekre, amely alapján utasítja, a motorokat/ESC-ket, hogy alakítsák a jeleket mozgássá. Ha ezt le akarnák fordítani egy életből vett példára, úgy kéne elképzelnünk, mint ha sok ember egyszerre beszélne mindenféle nyelven, de az agyunk kiszűrné az érthetetlen hablatyból azt az egy nyelvet, amit mi is megértünk. Ezzel a vevő kiszűrheti az elektromos zajt, amit ugyan megértene, de figyelmen kívül hagy. Ez még egy dolgot magával vonzott, az ún. fail safe funkciót.
A fail safe azt jelenti, hogy ha a vevő nem kap az adótól értelmes információt adott időn belül, mert valamilyen zavar áll be, akkor egy előre definiált utasítást hajt végre (eseményvezérlés, vagy másnéven trigged event), pl. elveszi a motorokról a gázt, hogy a gép ne repüljön el, így megmentve azt. Az egyik ilyen tipikus hiba, ami elő szokott fordulni kezdő reptetőknél, hogy kirepülnek a távirányító hatósugarából, ahol a jel megszakad, a gép pedig ismételni kezdi az utolsó vett parancsot, ami az, hogy repüljön tovább, viszlát multikopter.
A technológiai váltások egyik fő célja az volt, hogy kiküszöbölje a zavarokat és az interferenciát (amikor két hullám kioltja egymást), de ezt sajnos a PCM sem tudta kivédeni. Visszakanyarodva az előző példához, mikor sok ember beszél egyszerre, ha az ő hangjuk erősebb, mint annak a személynek a hangja, aki azon a nyelven beszél, amit mi is megértünk, akkor nem fogjuk hallani őt, vagyis nem tudunk kommunikálni vele. Az adó is pont ezt fogja tapasztalni, egy csomó érthetetlen "zaj" fog beérkezni, amire nem fog csinálni semmit (high noise floor vagyis magas zajküszöb), amit mi szintén a kapcsolat megszakadásaként fogunk értékelni.
A fenti problémával át is lépünk a következő - és tulajdonképpen a számunkra egyedüliként érdekes - fázisba, az Rc távirányítók 2.4GHZ-s világába, a mikrohullámú korszakba, ami forradalmasította az adó és a vevő közötti kommunikációt. Mikrohullámnak nevezzük azt a hullámhoszt, amelyek valahová 300 MHZ és 300GHZ közé esnek (leegyszerűsítve a dolgokat). Az előbbiek voltak a keskenysávú adások, míg ez utóbbi a szórt spektrumú (spread spectrum) adás.
Mi volt a gond a keskeny sávú adással? Egyrészt az, hogy az adók számára csak egy keskeny sáv állt rendelkezésre, ebből is egyet használtak egyszerre. Ha két adó ugyan azon a frekvencián adott, akkor már is megtörtént a baj, interferencia --> jelvesztés --> fail safe állapot. Az előző mondatból könnyen kitalálható, hogy a szórt spektrumú adás egy teljes tartományt szór tele az adással, változtatva a frekvenciáját a csatornák közötti váltogatással. A vicces az, hogy maga a szórt spektrumos adás elmélete a második világháborúból származik, kifejlesztője Hedy Lamarrhoz (Hedwig Keisler) köthető - vicces történet, érdemes megnézni angolul - ám az ipar csak a 90-es években kezdte el használni a technológiát. Na vajon milyen eszközök kapcsán? Telefon, WIFI, Bluetooth, ismerős ugye? Ez mind 2.4GHZ-es tartomány és szórt spektrumú adás. Az ötlet a technológia mögött az volt, hogy a jeleket minél szélesebb spektrumban kell teríteni, mert így egyre csökken az esély arra, hogy valaki ugyan abban a sávban ad, így kiküszöbölve az interferenciát. Éppen ezért, ha egyszerre több szórt spektrumú rádióadó is ad egymás mellett, akkor is kicsi az esély arra, hogy egymást zavarják (ami persze nem igaz, mert nekem is volt már emiatt jelvesztésem, de legalább van esély arra, hogy nem lesz). A legtöbb esetben persze rengeteg, nagyon rövid idejű rádiókonfliktus alakul ki, de a jelismétlés gyakorisága miatt ezt észre sem vesszük, mert olyan rövid idejűek, illetve a hibajavító algoritmusok ezt is el fogják fedni.
Alapvetően két, különböző szórt spektrumú technológia terjedt el, amit az alábbi nevekkel illetnek:
FHSS (Frequency hopping spread spectrum): frekvencia ugrásos szórt spektrumú adás. Lényege hogy az adó a frekvenciatartományt sávokra osztja, ezek között információ szeleteket ad le, majd amikor a vevő vette az adást, átugrik egy másik frekvenciára (másodpercenként több százszor) és ott is adni kezd egy előre meghatározott algoritmus alapján. Így egy teljes frekvenciasávot fed le, nagyobbat, mint amire minimum szükség lenne, cserébe sokkal nehezebben zavarható. Úgy kell elképzelnünk a dolgot, mint ha kapcsolgatnánk a tv csatornák között, azért, hogy elkerüljük a reklámokat, ahol a reklám tekinthető az interferenciának. Vegyük azt alapul, hogy ugyan az a műsor megy párhuzamosan több csatornán is, de más időpillanatban van a reklám, ezért van értelme átváltani. Abban a pillanatban, ha a műsort megszakítja a reklám, csatornát váltunk (frekvenciát ugrunk) és nézzük tovább a műsort. Az FHSS technológiának a hátránya a nagyon rövid hatótávolság, ezért általában DHSS technológiával kombinálják.
DSSS (Direct sequence spreas spectrum): közvetlen sorrendű szort spektrumú adás. Annyiban tér el az FHSS technológiától, hogy az adatjelek egy, az adatátvitelnél jóval nagyobb bitsebességű kóddal vannak megszorozva, aminek következtében a küldött információ jelentős redundanciával érkezik meg a vételi oldalra. A redundancia miatt ha visszatérünk a televízió nézéses analógiához, akkor itt nem a készülék csatornái között kapcsolgatunk, hanem sok egymás mellett álló készülékből mindig egy másikat nézünk, így elkerülve a reklámokat. Ez egyben azt is jelenti, hogy a hatótávolsága sokkal jobb, mint az FHSS technológiának, gyakorlatilag ma már mindenki ezt, vagy a kettőt kombinálva használja.
Most hogy mindenkinek kifolyt az agya a fülén a sok technikai hadovától, nézzük meg, milyen korlátai vannak a 2.4GHZ-s technológiának. Mivel a 2.4GHZ-s hullámok rövid hullámhosszúak, éppen ezért nincsen nagy antennája a telefonoknak sem (be van tokozva) így eltűntek a kihúzható, teleszkópos antennák is az Rc távirányítókról. Cserébe viszont a hullámok - ellentétben a hosszabb hullámhosszú 27-75MHZ-s hullámokkal - nem hatolnak át mindenen, sőt elnyelődnek vagy visszaverődnek. Az ilyen elnyelődés-visszaverődés fail safe állapothoz, kapcsolatszakadáshoz vezet, mivel a jel nem elég erős ahhoz, hogy a vevő azt meghallja.
A dolog nem csak azért problémás, mert a ház faláról is visszaverődik a jel, hanem azért, mert el tud nyelődni a kopterek testének anyagában is. Egy csomó anyag elnyeli vagy eltereli a sugarakat. Miből vannak pl. a verseny kopterek? Pl. karbonból vagy egyes esetekben alumínium elemekből, amin átjutni a jelnek igen csak kihívás. Két dolgot tehetünk, kitesszük a vevőt a gép tetejére, vagy több jelvevő antennát használunk, így mindig lesz egy antennánk, ami "rálát" a jelre. A duplázást természetesen a túloldalon is megteszik a gyártók, de itt még egy probléma előjön, ez pedig az úgy nevezett null zóna.
A null zóna probléma abból fakad, hogy a távirányító antennája a rádiójeleket nem pont szerűen az antenna végén, hanem oldalra körkörösen sugározza ki. Vagyis a távirányító végén, pont a hegynél kialakul egy terület, ahol nem távozik rádiójel az antennából. Ezért kell behajlítanunk az antennát, nem pedig egyenesen tartanunk. Ennek ellenére mindig lesz egy antenna esetén egy olyan terület, ahol gyenge lesz a jel, vagy nem lesz egyáltalán.
Éppen ezért a high-end gyártók megduplázzák az adó oldalon is az antennáikat, hogy a fenti hatást kiküszöböljék. A lenti Spektrum DX 9 távirányítón (úgy nézzük, hogy ez egy 450$-os (130.000 Ft) táv) hátul nem a fogantyú található, hanem egy fektetett antenna. Ez egyben megnöveli a hatótávolságot is, hiszen messzebb tud menni a repülő alkalmatosságunk, mivel megnő az a távolság, ahol már nem fog elegendő jelet kapni a távirányítótól a vevő. Ezek az antennák mindig különböző orientációban vannak elhelyezve (egyik állítva, a másik fektetve).
ÖSSZEGEZVE A LÉNYEGET A FENTI GONDOLATOKBÓL: csak olyan távirányítót érdemes venni, ami 2.4GHZ-s FHSS és DSSS technikát használ és megfelelő hatótávolságú (ez persze mindenkinek mást jelent).
A végére ide fűznék egy gondolatot, mert ez egy elég jellemző, circum vitiosum helyzetet szokott eredményezni, amikor találkozom valakivel reptetés közben és elkezdi feltenni a tipikus kérdéseit, mennyit fogyaszt, milyen gyors, milyen nehéz, milyen messzire lehet irányítani stb. Az utolsóra a válasz: Minden gépet olyan messziről lehet irányítani, ahonnan még látjuk, vagyis a hatótávolság esszenciális. Ha szemmel akarjuk követni a kopterünket, elég lehet 200-300 méter, a gép méretétől függően. De nincs ember, aki ne kívánna rá az FPV-zésre hosszú távon, vagyis ha szemüvegen vagy monitoron keresztül akarjuk nézni azt, ami történik, akkor kapásból megszorozhatjuk a hatótávot hárommal, már is 1000 méternél tartunk.
Oké ez a kép egy rossz, belterjes poén volt :D
Véssük fel a távirányító kiválasztását segítő listánkra, mint fontos tényezőt:
- csatornák száma
- hatótáv
Már is van plusz két szempontunk az ár mellett, amire támaszkodhatunk. Nem sokára folytatjuk a fontosabb gyártók bemutatásával és választunk is valamilyen rádiót, persze egy külön bejegyzés keretében.
FORRÁS
Forgószárny blog
Oscar Liang blogja
Rc Helicopter Fun rádiós cikke
Rc Helicopter Fun Rc moduláció cikke
Modem idő
Spread Spectrum Demystified
A cikksorozat összes része, egy helyen:
