• BetaFlight模块设计之三十五：RSSI信号强度&链路稳定性分析

    BetaFlight模块设计之三十五：RSSI信号强度&链路稳定性分析

    基于BetaFlight开源代码框架简介的框架设计，逐步分析内部模块功能设计。这里主要针对四轴飞控DIY集成FPV功能第七章节调试遇到的问题，进一步深入分析和理解。

    航模主要通过遥控器或者数传两个通道进行控制，而BetaFlight这种穿越机最主要的方式还是通过遥控器。

    遥控器控制飞控这个通道的可靠性、稳定性需要通过这个通信链路的一些指标量化体现，从BetaFlight代码上看，主要有以下几个指标：

    1. RSSI信号强度
    • Value
    • dBm
    1. 链路质量(Link Quality)

    1. RSSI信号强度

    定时更新RSSI信号强度，并将强度值范围线性映射到0-100之间。值越大表示信号强度越大，值为0表示信号丢失(飞控进入failsafe模式)。

    1.1 RSSI Value

    RSSI Value设置的几种方式：

    1. 直接设置：主要取决于数据发送端对数据的处理和定义
    2. 过滤处理：PT1低频滤波或者算术平均滤波
    3. MSP设置：根据MSP协议，对MSP对端RSSI值乘以2^2
    void setRssiDirect(uint16_t newRssi, rssiSource_e source)
{
    if (source != rssiSource) {
        return;
    }

    rssi = newRssi;
}

void setRssi(uint16_t rssiValue, rssiSource_e source)
{
    if (source != rssiSource) {
        return;
    }

    // Filter RSSI value
    if (source == RSSI_SOURCE_FRAME_ERRORS) {
        rssi = pt1FilterApply(&frameErrFilter, rssiValue);
    } else {
        // calculate new sample mean
        rssi = updateRssiSamples(rssiValue);
    }
}

void setRssiMsp(uint8_t newMspRssi)
{
    if (rssiSource == RSSI_SOURCE_NONE) {
        rssiSource = RSSI_SOURCE_MSP;
    }

    if (rssiSource == RSSI_SOURCE_MSP) {
        rssi = ((uint16_t)newMspRssi) << 2;
        lastMspRssiUpdateUs = micros();
    }
}

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    1.2 RSSI dBm Value

    RSSI dBm Value设置的几种方式：

    1. 直接设置：主要取决于数据发送端对数据的处理和定义
    2. 过滤处理：算术平均滤波
    void setRssiDbmDirect(int16_t newRssiDbm, rssiSource_e source)
{
    if (source != rssiSource) {
        return;
    }

    rssiDbm = newRssiDbm;
}

void setRssiDbm(int16_t rssiDbmValue, rssiSource_e source)
{
    if (source != rssiSource) {
        return;
    }

    rssiDbm = updateRssiDbmSamples(rssiDbmValue);
}

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    2. 链路稳定性

    1. 直接设置：主要取决于数据发送端对数据的处理和定义
    2. 丢包率计算：计算最近16个报文的丢包率
    void setLinkQualityDirect(uint16_t linkqualityValue)
{
#ifdef USE_RX_LINK_QUALITY_INFO
    linkQuality = linkqualityValue;
#else
    UNUSED(linkqualityValue);
#endif
}

static void setLinkQuality(bool validFrame, timeDelta_t currentDeltaTimeUs)
{
    static uint16_t rssiSum = 0;
    static uint16_t rssiCount = 0;
    static timeDelta_t resampleTimeUs = 0;

#ifdef USE_RX_LINK_QUALITY_INFO
    if (linkQualitySource == LQ_SOURCE_NONE) {
        // calculate new sample mean
        linkQuality = updateLinkQualitySamples(validFrame ? LINK_QUALITY_MAX_VALUE : 0);
    }
#endif

    if (rssiSource == RSSI_SOURCE_FRAME_ERRORS) {
        resampleTimeUs += currentDeltaTimeUs;
        rssiSum += validFrame ? RSSI_MAX_VALUE : 0;
        rssiCount++;

        if (resampleTimeUs >= FRAME_ERR_RESAMPLE_US) {
            setRssi(rssiSum / rssiCount, rssiSource);
            rssiSum = 0;
            rssiCount = 0;
            resampleTimeUs -= FRAME_ERR_RESAMPLE_US;
        }
    }
}

STATIC_UNIT_TESTED uint16_t updateLinkQualitySamples(uint16_t value)
{
    static uint16_t samples[LINK_QUALITY_SAMPLE_COUNT];
    static uint8_t sampleIndex = 0;
    static uint16_t sum = 0;

    sum += value - samples[sampleIndex];
    samples[sampleIndex] = value;
    sampleIndex = (sampleIndex + 1) % LINK_QUALITY_SAMPLE_COUNT;
    return sum / LINK_QUALITY_SAMPLE_COUNT;
}

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    3. RSSI & LinkQuality来源

    3.1 RSSI_SOURCE_ADC

    1. 【RSSI Value】数据源来自ADC模拟采样，通过过滤处理进行数据保存。
    2. 【LinkQuality】此时没有LinkQuality来源。
    static void updateRSSIADC(timeUs_t currentTimeUs)
{
#ifndef USE_ADC
    UNUSED(currentTimeUs);
#else
    static uint32_t rssiUpdateAt = 0;

    if ((int32_t)(currentTimeUs - rssiUpdateAt) < 0) {
        return;
    }
    rssiUpdateAt = currentTimeUs + DELAY_20_MS;

    const uint16_t adcRssiSample = adcGetChannel(ADC_RSSI);
    uint16_t rssiValue = adcRssiSample / RSSI_ADC_DIVISOR;

    setRssi(rssiValue, RSSI_SOURCE_ADC);
#endif
}

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    3.2 RSSI_SOURCE_RX_CHANNEL

    1. 【RSSI Value】数据源来自AUX Channel[1000;2000]，直接scaleRange进行0-100的百分比线性映射。
    2. 【LinkQuality】rxFrameCheck通过setLinkQuality进行丢包率计算。
    static void updateRSSIPWM(void)
{
    // Read value of AUX channel as rssi
    int16_t pwmRssi = rcData[rxConfig()->rssi_channel - 1];

    // Range of rawPwmRssi is [1000;2000]. rssi should be in [0;1023];
    setRssiDirect(scaleRange(constrain(pwmRssi, PWM_RANGE_MIN, PWM_RANGE_MAX), PWM_RANGE_MIN, PWM_RANGE_MAX, 0, RSSI_MAX_VALUE), RSSI_SOURCE_RX_CHANNEL);
}

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    3.3 RSSI_SOURCE_MSP

    1. 【RSSI Value】根据MSP协议调用专用函数setRssiMsp设置信号强度；当DELAY_1500_MS超时，信号强度强制赋值零。
    2. 【LinkQuality】rxFrameCheck通过setLinkQuality进行丢包率计算。
    \src\main\msp\msp.c
    case MSP_SET_TX_INFO:
        setRssiMsp(sbufReadU8(src));

        break;

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    \src\main\rx\rx.c
    case RSSI_SOURCE_MSP:
        if (cmpTimeUs(micros(), lastMspRssiUpdateUs) > DELAY_1500_MS) {  // 1.5s
            rssi = 0;
        }

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    3.4 RSSI_SOURCE_RX_PROTOCOL_CRSF

    1. 【RSSI Value】来自于CRSF_FRAMETYPE_LINK_STATISTICS或者CRSF_FRAMETYPE_LINK_STATISTICS_TX报文
    2. 【RSSI dBm】来自于CRSF_FRAMETYPE_LINK_STATISTICS或者CRSF_FRAMETYPE_LINK_STATISTICS_TX报文
    3. 【LinkQuality】来自于CRSF_FRAMETYPE_LINK_STATISTICS或者CRSF_FRAMETYPE_LINK_STATISTICS_TX报文

    注：CRSF具有双向通信功能以及协商速率的功能，BetaFlight模块设计之二十三：CRSF V3串口速率协商任务分析。

    3.4.1 CRSF_FRAMETYPE_LINK_STATISTICS

    该报文使用链路统计数据：

    1. SNR映射：-10dB of SNR mapped to 0; 0dB of SNR mapped to 20; 41dB of SNR mapped to 99
    2. CRSF_RSSI_MIN(-130)-0线性映射
    3. 算术平均AUX Channel的rssiDbm
    static void handleCrsfLinkStatisticsFrame(const crsfLinkStatistics_t* statsPtr, timeUs_t currentTimeUs)
{
    const crsfLinkStatistics_t stats = *statsPtr;
    lastLinkStatisticsFrameUs = currentTimeUs;
    int16_t rssiDbm = -1 * (stats.active_antenna ? stats.uplink_RSSI_2 : stats.uplink_RSSI_1);
    if (rssiSource == RSSI_SOURCE_RX_PROTOCOL_CRSF) {
        if (rxConfig()->crsf_use_rx_snr) {
            // -10dB of SNR mapped to 0 RSSI (fail safe is likely to happen at this measure)
            //   0dB of SNR mapped to 20 RSSI (default alarm)
            //  41dB of SNR mapped to 99 RSSI (SNR can climb to around 60, but showing that is not very meaningful)
            const uint16_t rsnrPercentScaled = constrain((stats.uplink_SNR + 10) * 20, 0, RSSI_MAX_VALUE);
            setRssi(rsnrPercentScaled, RSSI_SOURCE_RX_PROTOCOL_CRSF);
#ifdef USE_RX_RSSI_DBM
            rssiDbm = stats.uplink_SNR;
#endif
        } else {
            const uint16_t rssiPercentScaled = scaleRange(rssiDbm, CRSF_RSSI_MIN, 0, 0, RSSI_MAX_VALUE);
            setRssi(rssiPercentScaled, RSSI_SOURCE_RX_PROTOCOL_CRSF);
        }
    }
#ifdef USE_RX_RSSI_DBM
    setRssiDbm(rssiDbm, RSSI_SOURCE_RX_PROTOCOL_CRSF);
#endif

#ifdef USE_RX_LINK_QUALITY_INFO
    if (linkQualitySource == LQ_SOURCE_RX_PROTOCOL_CRSF) {
        setLinkQualityDirect(stats.uplink_Link_quality);
        rxSetRfMode(stats.rf_Mode);
    }
#endif

#ifdef USE_RX_LINK_UPLINK_POWER
    const uint8_t crsfUplinkPowerStatesItemIndex = (stats.uplink_TX_Power < CRSF_UPLINK_POWER_LEVEL_MW_ITEMS_COUNT) ? stats.uplink_TX_Power : 0;
    rxSetUplinkTxPwrMw(uplinkTXPowerStatesMw[crsfUplinkPowerStatesItemIndex]);
#endif

    DEBUG_SET(DEBUG_CRSF_LINK_STATISTICS_UPLINK, 0, stats.uplink_RSSI_1);
    DEBUG_SET(DEBUG_CRSF_LINK_STATISTICS_UPLINK, 1, stats.uplink_RSSI_2);
    DEBUG_SET(DEBUG_CRSF_LINK_STATISTICS_UPLINK, 2, stats.uplink_Link_quality);
    DEBUG_SET(DEBUG_CRSF_LINK_STATISTICS_UPLINK, 3, stats.rf_Mode);

    DEBUG_SET(DEBUG_CRSF_LINK_STATISTICS_PWR, 0, stats.active_antenna);
    DEBUG_SET(DEBUG_CRSF_LINK_STATISTICS_PWR, 1, stats.uplink_SNR);
    DEBUG_SET(DEBUG_CRSF_LINK_STATISTICS_PWR, 2, stats.uplink_TX_Power);

    DEBUG_SET(DEBUG_CRSF_LINK_STATISTICS_DOWN, 0, stats.downlink_RSSI);
    DEBUG_SET(DEBUG_CRSF_LINK_STATISTICS_DOWN, 1, stats.downlink_Link_quality);
    DEBUG_SET(DEBUG_CRSF_LINK_STATISTICS_DOWN, 2, stats.downlink_SNR);
}

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    3.4.2 CRSF_FRAMETYPE_LINK_STATISTICS_TX

    该报文CRSF_V3使用，链路统计数据：

    1. 线性映射AUX Channel的uplink_RSSI_percentage
    2. 算术平均(-1 * stats.uplink_RSSI)
    3. 算术平均(stats.uplink_SNR)
    static void handleCrsfLinkStatisticsTxFrame(const crsfLinkStatisticsTx_t* statsPtr, timeUs_t currentTimeUs)
{
    const crsfLinkStatisticsTx_t stats = *statsPtr;
    lastLinkStatisticsFrameUs = currentTimeUs;
    if (rssiSource == RSSI_SOURCE_RX_PROTOCOL_CRSF) {
        const uint16_t rssiPercentScaled = scaleRange(stats.uplink_RSSI_percentage, 0, 100, 0, RSSI_MAX_VALUE);
        setRssi(rssiPercentScaled, RSSI_SOURCE_RX_PROTOCOL_CRSF);
    }
#ifdef USE_RX_RSSI_DBM
    int16_t rssiDbm = -1 * stats.uplink_RSSI;
    if (rxConfig()->crsf_use_rx_snr) {
        rssiDbm = stats.uplink_SNR;
    }
    setRssiDbm(rssiDbm, RSSI_SOURCE_RX_PROTOCOL_CRSF);
#endif

#ifdef USE_RX_LINK_QUALITY_INFO
    if (linkQualitySource == LQ_SOURCE_RX_PROTOCOL_CRSF) {
        setLinkQualityDirect(stats.uplink_Link_quality);
    }
#endif

    DEBUG_SET(DEBUG_CRSF_LINK_STATISTICS_UPLINK, 0, stats.uplink_RSSI);
    DEBUG_SET(DEBUG_CRSF_LINK_STATISTICS_UPLINK, 1, stats.uplink_SNR);
    DEBUG_SET(DEBUG_CRSF_LINK_STATISTICS_UPLINK, 2, stats.uplink_Link_quality);
    DEBUG_SET(DEBUG_CRSF_LINK_STATISTICS_UPLINK, 3, stats.uplink_RSSI_percentage);
}

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    3.4.3 rxFrameCheck

    超时场景下直接将RSSI Value & RSSI dBm以及链路质量清零。

    static void crsfCheckRssi(uint32_t currentTimeUs) {

    if (cmpTimeUs(currentTimeUs, lastLinkStatisticsFrameUs) > CRSF_LINK_STATUS_UPDATE_TIMEOUT_US) {
        if (rssiSource == RSSI_SOURCE_RX_PROTOCOL_CRSF) {
            setRssiDirect(0, RSSI_SOURCE_RX_PROTOCOL_CRSF);
#ifdef USE_RX_RSSI_DBM
            if (rxConfig()->crsf_use_rx_snr) {
                setRssiDbmDirect(CRSF_SNR_MIN, RSSI_SOURCE_RX_PROTOCOL_CRSF);
            } else {
                setRssiDbmDirect(CRSF_RSSI_MIN, RSSI_SOURCE_RX_PROTOCOL_CRSF);
            }
#endif
        }
#ifdef USE_RX_LINK_QUALITY_INFO
        if (linkQualitySource == LQ_SOURCE_RX_PROTOCOL_CRSF) {
            setLinkQualityDirect(0);
        }
#endif
    }
}

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    4. 其他协议

    TBD，比如：SRXL2, 代码链接。

    注：后续再做更新，分析方法类似。

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