四、编码调制
遥控及任务指令产生后，一般需要进行编码调制，常用的编码调制方式有PWM、PPM、PCM、SBUS和DSM。同时，它们也是接收机和其他设备通信的协议。
1.PWM
PWM（Pulse Width Modulation）是脉冲宽度调制的英文缩写。PWM不可以时分复用，主要是通过周期性跳变的高低电平组成方波，是以脉冲占空比来传递信息，最终实现连续数据的输出。
PWM信号是一个周期性的方波信号，在常用的无人机遥控器中，其周期为20 ms， 也就是50 Hz的刷新频率。通常，无人机遥控器摇杆产生的电压信号进行PWM调制后的脉冲宽度变化范围为1 000～2 000，即PWM每一周期中的高电平持续时间为1 000～ 2 000 μs，高电平持续时间代表了摇杆控制量。一般四旋翼中1 100 μs对应0油门，1 900 μs 对应满油门（图8-9～图8-12）。
图8-9 0油门对应的脉冲宽度
图8-10 0油门时的PWM波形
图8-11 满油门对应的脉冲宽度
图8-12 满油门时的PWM波形
如果移动摇杆，使得输出电压按照 图8-13（a）所示的曲线变化，则经过PWM调制后的图形如图8-13（b）所示，注意图中调制后的波形只是宽度发生改变，脉冲之间的时间间隔是固定不变的。
PWM的优势如下：
（1）由于传输过程全部使用满电压传输，非0即1，很像数字信号，所以PWM拥有了数字信号的抗干扰能力。
（2）脉宽的调节是连续的，使得它能够传输模拟信号。
（3）PWM信号的发生和采集都非常简单，现在的数字电路则使用计数的方法产生和采集PWM信号。
（4）信号值与电压无关，信号的传输受干扰小，这在电压不恒定的条件下非常有用，如电池电压会随着消耗而降低，DC-DC转换器会存在纹波等情况。
2.PPM
PPM（Pulse Position Modulation）是脉冲位置调制的英文缩写，是以不同时刻出现的脉冲位置传递信息，可以时分复用，其编解码方式一般是使用积分电路来实现的。它是通过将多个控制通道集中放在一起调制而成的，也就是一个PPM脉冲序列里面包含了多个通道的信息，如图8-14所示。
图8-13 PWM调制
图8-14 PPM调制
标准的PPM信号，以0.4 ms的低电平为起始标识。后边以电平的上升沿的间隔时间来表达各个通道的控制量，刚好等于PWM信号的高电平持续时间，也就是1 000～2 000 μs。一般排列10个上升沿后，电平保持高电平，直到重复下一个PPM信号。由图8-14可知，第一个通道对应的PWM信号高电平持续时间为1.9 ms，对于多旋翼无人机来说，第一通道对应的是副翼（控制滚转），则说明遥控器副翼控制杆打到右极限位置。如图8-15所示为示波器观察到的接收机输出的PPM波形，测得第三个通道（油门通道）的时间间隔为2.0 ms，与遥控器实际油门位置相对应。如图8-16所示为遥控器油门高位（美国手）。
图8-15 示波器观察到的PPM波形
图8-16 遥控器油门高位（美国手）
通常，PPM接收解码电路都由通用的数字集成电路组成，如CD4013、CD4015等。对于这类电路来说，只要输入脉冲的上升沿达到一定的高度，都可以使其翻转。这样，一旦输入脉冲中含有干扰脉冲，就会造成输出混乱。由于干扰脉冲的数量和位置是随机的，因此在接收机输出端产生的效果就是“抖舵”。
除此之外，因电位器接触不好而造成编码波形的畸变等原因，也会影响接收效果，造成“抖舵”。对于窄小的干扰脉冲，一般的PPM电路可以采用滤波的方式消除；而对于较宽的干扰脉冲，滤波电路就无能为力了。
这样普通的PPM比例遥控设备，在强干扰的环境下或超出控制范围时会产生误动作，尤其是在有同频干扰的情况下，无人机往往会完全失控。
3.PCM
PCM是英文Pulse-Code Modulation的缩写，即脉冲编码调制，又称脉码调制，是由A.里弗斯于1937年提出的，这一概念为数字通信奠定了基础。
PCM是将若干个指令信号的数字形式进行编码后再传送，使用了数字信号处理中的查错算法，因此具有更高的效率和可靠性。
其编码过程是编码电路中模/数转换部分将电位器产生的模拟信息转换成一组数字脉冲信号。如果遥控器采用的是8位PCM编码，则表示每个通道都由8个脉冲组成，再加上同步脉冲和校核脉冲，因此每组脉冲包含了数十个脉冲信号。在这里，每一个通道都由8个信号脉冲组成。其脉冲个数永远不变，只是脉冲的宽度不同。宽脉冲代表“1”，窄脉冲代表“0”。这样，每个通道的脉冲就可用8位二进制数据来表示，共有256种变化。接收机解码电路中的处理器收到这种数字编码信号后，再经过数/模转换，就可将数字信号还原成模拟信号（图8-17）。
PCM由于在空中传播的是数字信号，其中包含的信号只代表两种宽度。这样，如果在此种编码脉冲传送过程中产生了干扰脉冲，解码电路中的单片机就会自动将与“0”或“1”脉冲宽度不相同的干扰脉冲自动清除。如果干扰脉冲与“0”或“1”脉冲的宽度相似或直接将“0”脉冲干扰加宽成“1”脉冲，解码电路的单片机也可以通过计数功能或检验校核码的方式，将其滤除或不予输出。而因电位器接触不良对编码电路造成的影响，也已由编码电路中的处理器将其剔除，这样就消除了各种干扰。
PCM还具有高可靠性和高抗干扰性。一般PPM遥控设备都要求在操作时先打开发射机后开接收机，先关接收机后关发射机。其原因是在没有发射信号时，接收机会因自身内部的噪声或外界的干扰产生误动作；即使是带静噪电路的接收机，在有同频干扰的情况下也会出现误动作。而采用了PCM编解码方式，在程序设计中包含了多种信号校验功能，即使在发射机关机、只开接收机的情况下，也不会产生误动作。因此，当每次发射机定时关机后，接收机仍可处于开机待命状态，避免了频繁开关接收机的麻烦。
另外，PCM编码可以很方便地利用计算机编程，不增加或少增加成本，实现各种智能化设计。例如，将来的比例遥控设备可以采用个性化设计，在编解码电路中加上地址码，实现真正意义上的一对一控制。另外，如果在发射机上加装开关，通过计算机编程，将每个通道的256种变化分别发送出来；接收机接收后，再经计算机解码后变成256路开关输出。这样，一路PCM编码信号就可变成256路开关信号。而且，这种开关电路的抗干扰能力相当强，控制精度相当高。从上述说明可以看出，PCM编码与PPM编码方式相比，具有很大的优越性。PCM编码可以认为是真正的数字比例遥控。而且各个厂家生产的不同型号的PCM比例遥控设备，其编码方式不相同。因此，同样是PCM设备，只要是不同厂家生产的，即使是相同频率，也不会产生互相干扰，而只会影响控制距离。
但是，PCM接收机里必须有一套和发射机一致的标准，才能正确地识别信号，也就意味着不同品牌的PCM接收机不能通用，而PPM接收机大多可以通用。
图8-17 PCM调制
4.SBUS
SBUS即串行总线，也是智能总线。该总线是日本Futaba公司自己使用的专用总线协议。该协议有两个特点：一个是数字化；另一个是总线化。
数字化是指该协议使用现有数字通信接口作为通信的硬件协议，并使用专用的软件协议，这使得该设备非常适合在单片机系统中使用，也就是说适合与飞控连接。
总线化指的是一个数字接口可以连接多个设备，这些设备（主要是舵机和电调）通过Hub与一个SBUS总线连接，并能够得到各自的控制信息。
如图8-18所示为接收机与机载设备的连接。
SBUS使用RS232C串口的硬件协议作为自己的硬件运行基础。它使用的是3.3 V的TTL电平；并且使用负逻辑，即低电平为“1”，高电平为“0”，所以，无论接收还是发送都要进行硬件取反。波特率为100 000 bps， 注意：不兼容波特率为115 200 bps。
在使用时，串口配置为波特率100 kbps、8位数据、偶校验（even）、2位停止位、无流控。
SBUS协议规定每帧有25个字节，按照［startbyte］［data1］［data2］…［data22］［flags］［endbyte］顺序排列。其中，起始字节startbyte=11110000b（0xF0），中间22个字节是16个通道的数据，每个伺服通道采用11位编码。相邻两帧之间的时间间隔为4 ms（高速模式），约7 ms一帧；在低速模式下是每14 ms发送一次。
SBUS协议的编码原理：一个信息是二进制的11 bit，例如，1111 1111 111就可以表示一个信息，一共16个这样的信息，按照顺序将这16个信息依次排成一串，得到一个 176 bit（11×16）的数据，也就是22字节（176/8=22）的数据，再加上数据头数据尾校验位就组成了一个要通过串口传送的信息。每隔4 ms或者14 ms就传送一个这样的信息。所以，这16个信息每个所能表示的最大值是2 048，也就是它的精度。标志位的高4位有特殊含义，低4位并没有使用。第7位和第6位表示两个数字通道（通道17和18）信息（就是只有高低电平的通道，一般用来控制通断或者某个电机简单的启动或者停止，如1表示启动电动机，0表示停止电动机）。第5位表示帧丢失，接收机红色LED亮起，如果这一位为1，表示这一帧信号出问题了，接收机红色LED亮起。第4位表示故障保护激活，意思应该是说如果这一位为1，激活接收方故障保护。
5.DSM
DSM是英文Digital Spread Spectrum Modulation的缩写，即数字扩频调制。DSM协议一共有DSM、DSM2、DSMX三代。国内最常见的是DSM2，JR和Spectrum的遥控器都支持该协议。DSM协议也是一种串行协议，但是比SBUS更加通用，使用的是标准串口定义，所以市面上兼容接收机更加便宜，兼容的设备也更多。
但是该协议并不是一种总线化的协议，要靠接收机把该协议变为PWM来驱动舵机，DSM2接口也只能连接接收机和卫星接收机。
图8-18 接收机与机载设备的连接
DSMX是DSM2的升级版，区别就是速率加快了。DSMX协议可以用于双向传输，即能够将飞机上的信息传回遥控器上在液晶屏显示。