第2章：物理层基础——无线电频谱与ISM频段、调制方式、发射功率与链路预算

各位同学，咱们今天聊聊物理层。说白了，就是无人机和地面站之间，信号到底是怎么在空中“跑”起来的。

我刚开始做无人机项目那会儿，总觉得物理层是硬件工程师的事。后来被现实狠狠教育了一顿——有一次飞丢了一架机子，就是因为没算清楚链路预算。嗯，从那以后，我再也不敢轻视这章内容了。

2.1 无线电频谱与ISM频段

无线电频谱，就像一条高速公路。不同的频段，就是不同的车道。无人机通信常用的，是ISM频段。

ISM频段，全称是Industrial, Scientific, Medical。说白了，就是工业、科学、医学用的免费频段。你不用申请牌照，就能用。但代价是——谁都能用。

常见的ISM频段有：

• 433 MHz：穿透性好，距离远。我早期做农用无人机，用的就是它。但速率低，只能传控制指令。
• 868 MHz / 915 MHz：欧洲和北美用的多。LoRa常用这个频段。
• 2.4 GHz：最拥挤的频段。Wi-Fi、蓝牙、遥控器全挤在这儿。你想想看，飞场里几十台机子同时开，干扰有多大。
• 5.8 GHz：图传常用。带宽大，但穿墙能力差。

我个人习惯，做产品前先查当地无线电管理局的规定。别等产品做出来了，发现不能卖，那就尴尬了。

2.2 调制方式：FSK、GFSK、LoRa

调制，就是把数字信号“搬”到载波上。不同的调制方式，就像不同的语言。地面站和无人机得说同一种语言，才能沟通。

2.2.1 FSK（频移键控）

FSK是最基础的调制方式。用两个不同的频率代表0和1。比如，频率f1代表“0”，频率f2代表“1”。

优点：简单、抗干扰能力强。
缺点：频谱利用率低。

我在项目中遇到过，用FSK做遥控链路，距离能到2公里。但速率只有几十kbps。传个控制指令够用，传图像就别想了。

2.2.2 GFSK（高斯频移键控）

GFSK是FSK的升级版。它在FSK前面加了一个高斯滤波器，让频率切换更平滑。

为什么要平滑？因为FSK在切换频率时，会产生高频分量，干扰其他设备。GFSK把这个问题解决了。

蓝牙用的就是GFSK。你想想看，蓝牙耳机那么小，功耗那么低，还能稳定传输音频，GFSK功不可没。

2.2.3 LoRa（长距离扩频）

LoRa是Semtech公司搞出来的技术。它用的是扩频调制，说白了，就是把信号在很宽的频带上“铺开”。

这样做的好处是什么？抗干扰能力极强。就算信号比噪声还弱，也能解调出来。

我曾经在郊区做过测试，用LoRa模块，发射功率只有17dBm（50mW），距离达到了15公里。当然，速率很低，只有几百bps。

LoRa的缺点也很明显：

• 速率低，不适合传图像
• 需要专用的芯片和协议栈
• 实时性不如FSK/GFSK

所以，LoRa适合做远距离控制链路，或者传传感器数据。图传还是得靠5.8GHz。

2.3 发射功率与链路预算

发射功率，就是你的电台“喊话”的声音有多大。单位是dBm。

链路预算，就是算一算，从发射端到接收端，信号衰减了多少，最后还能不能正确解调。

公式很简单：

接收功率（dBm） = 发射功率（dBm） + 发射天线增益（dBi） - 路径损耗（dB） + 接收天线增益（dBi）

路径损耗，主要取决于距离和频率。自由空间损耗公式：

路径损耗（dB） = 32.4 + 20 * log10(距离（km）) + 20 * log10(频率（MHz）)

举个例子：

参数	数值
发射功率	20 dBm（100mW）
发射天线增益	2 dBi
接收天线增益	2 dBi
频率	2400 MHz
距离	1 km

路径损耗 = 32.4 + 20 * log10(1) + 20 * log10(2400) = 32.4 + 0 + 67.6 = 100 dB

接收功率 = 20 + 2 - 100 + 2 = -76 dBm

一般接收机的灵敏度在-90 dBm到-120 dBm之间。所以-76 dBm的信号，完全没问题。

另外，发射功率不是越大越好。功率大了，干扰别人，也耗电。无人机电池就那么点容量，你得权衡。

我一般这样选：

• 近距离（500米以内）：10-15 dBm
• 中距离（1-3公里）：17-20 dBm
• 远距离（5公里以上）：20-27 dBm（需要看当地法规）

2.4 小结

这一章，我们聊了：

• ISM频段的选择——433 MHz、2.4 GHz、5.8 GHz各有优劣
• 调制方式——FSK简单可靠，GFSK平滑省电，LoRa远距离但低速
• 链路预算——算清楚，才能飞得远、飞得稳

下一章，我们会讲数据链路层。到时候，我会分享一个我踩过的坑——关于数据包重传的。嗯，那故事挺有意思的。

想清楚了，咱们下章见。