無人機無線視頻傳輸?shù)膽?yīng)用挑戰(zhàn)

近年來無人機作為專業(yè)工具、娛樂和空中運動比賽變得日益流行。無人機是 UAV(無人駕駛飛行器)的通稱，包括許多類型的無人駕駛遙控飛行器，其中有固定翼飛機、直升機和多旋翼飛機等。

專業(yè)無人機應(yīng)用范圍日漸廣泛，體育賽事期間的航空攝影不必依賴昂貴的全尺寸直升機，房地產(chǎn)經(jīng)紀(jì)人也經(jīng)常使用無人機進(jìn)行記錄。無人機還可以發(fā)現(xiàn)失蹤人員，并可以監(jiān)測面臨污染風(fēng)險的棲息地。電力公司正在通過無人機檢查高壓線路，避免了昂貴的停電和危險的人工攀登。即使是像鐵路公司這樣的保守行業(yè)也在考慮使用無人機來檢查訪問受限區(qū)域的軌道情況。也有快遞公司計劃通過無人機運送小包裹。

一、無人機操作技術(shù)

無人機可以通過兩種不同的方式進(jìn)行駕駛;一種是通過目視觀察無人機的視線，另一種是通過第一人稱視角(FPV)。在FPV系統(tǒng)中是利用機載攝像機的視頻圖像，通過無線電以屏幕或視頻護(hù)目鏡的形式傳輸?shù)降孛鎮(zhèn)€人視頻顯示器。

二、視頻傳輸無線技術(shù)

Wi-Fi可用于相當(dāng)短的距離的信號傳輸。Wi-Fi信號的范圍可以從300米到 2000米不等，具體取決于設(shè)備和條件。傳輸范圍會因多種因素而有所不同：

發(fā)射器功率，天線越大，信號輻射越遠(yuǎn)，衰減越小;

天線，按電源Whip(或電線)、Chip、PCB或外部(通過U.FL或RPSMA 接器)的升序排列;

使用頻率,通常頻率越低，信號可以傳播越遠(yuǎn)。

環(huán)境，周邊樹木、建筑物、直接視線、大氣條件等都會對Wi-Fi信號范圍產(chǎn)生負(fù)面影響。

頻段，首選5GHz Wifi網(wǎng)絡(luò)，該頻段在市區(qū)的干擾較小。其他頻段特性如下：

2.1 低于1GHz頻段

常見的解決方案來自那些飛行FPV(第一人稱視角)的人，他們使用連接到900 MHz的簡單模擬攝像機。使用帶有苜蓿葉天線(一種普通天線類型)的1W 900MHz發(fā)射器和指向您的飛行器的18dB增益的貼片天線，可以輕松獲得5英里以上的站點線。這取決于一個人想要操作的區(qū)域以及使用此類應(yīng)用程序的頻段可用性。

2.2 3G/4G頻段

你可以使用無人機附帶的3G/4G加密狗，進(jìn)行高數(shù)據(jù)速率的無線傳輸。該解決方案可根據(jù)該運營區(qū)域的3G/4G網(wǎng)絡(luò)可用性來使用。

2.3 定制解決方案

集成射頻收發(fā)器不僅廣泛用于蜂窩電話基站的軟件定義無線電(SDR)1架構(gòu)，例如多服務(wù)分布式接入系統(tǒng)(MDAS)和小型蜂窩，而且還用于工業(yè)、商業(yè)和小型蜂窩的無線高清視頻傳輸。軍事應(yīng)用，例如無人機(UAV)。你可以使用射頻收發(fā)器系列AD9361/AD9363并根據(jù)其頻譜可用性制造合適的硬件，因為這些收發(fā)器的帶寬高達(dá)6GHz。一個基帶側(cè)合適的FPGA可用于數(shù)字處理。

三、無線視頻傳輸挑戰(zhàn)

無線視頻鏈接的范圍受到許多因素的限制。當(dāng)距離增加時路徑損耗本身會削弱信號，而視線中的障礙物會產(chǎn)生額外的衰減。在自然環(huán)境中無線鏈路存在一些不確定的挑戰(zhàn)，需要給出有效的解決方案。其中以下兩方面是主要問題：

3.1 干擾

自然環(huán)境中的其他無線傳輸源可能會干擾無人機視頻傳輸信號。如果干擾信號出現(xiàn)在與無線視頻鏈路相同的頻帶中，它將充當(dāng)帶內(nèi)噪聲。這將會降低信噪比，導(dǎo)致視頻圖像嘈雜，鏈接范圍有限。典型的干擾源可能是該區(qū)域內(nèi)另一架無人機的視頻發(fā)射器、附近的WiFi熱點或手機。通過選擇一個頻率盡可能遠(yuǎn)離干擾源的頻道或移動視頻接收器和天線，可以將問題最小化。如果干擾源強大，但在無線鏈路的頻帶之外則稱為阻塞器。阻塞信號可以穿透不充分的前端通道濾波，并降低低噪聲放大器(LNA)的動態(tài)。

圖1.無人視頻傳輸干擾示意圖

3.2 反射引起的多徑衰落

即使有一個強大的、無噪聲的信號，無線鏈路也可能會突然中斷，尤其是在雜亂或城市環(huán)境中。這可能是由于反射傳播路徑抵消了直接傳播路徑。由于與不同傳播延遲相關(guān)的相移而發(fā)生抵消。這發(fā)生在接收空間的特定點，只需將天線移動不到一個波長即可消失。除了信號消除之外，多徑傳播還會導(dǎo)致符號延遲擴展。來自不同路徑的符號在不同時間到達(dá)，如果延遲很大，則會導(dǎo)致誤碼。

圖2.反射引起的多徑衰落

四、克服挑戰(zhàn)

4.1 射頻頻率切換

2.4 GHz頻率被廣泛用于Wi-Fi、Bluetooth和IoT短距離通信，使其越來越擁擠。將其用于無線視頻傳輸和控制信號會增加信號干擾和不穩(wěn)定的機會。這對無人機造成了不良且經(jīng)常是危險的情況。使用頻率切換來保持干凈的頻率將使數(shù)據(jù)和控制連接更加可靠。當(dāng)發(fā)射器感應(yīng)到擁擠的頻率時，它會自動切換到另一個頻段。例如使用該頻率并在附近運行的兩架無人機將干擾彼此的通信。自動切換LO頻率并重新選擇頻段將有助于保持穩(wěn)定的無線鏈路。在上電期間自適應(yīng)選擇載波頻率或信道是高端無人機的優(yōu)秀特性之一。

4.2 跳頻

廣泛用于電子對抗(ECM)的快速跳頻也有助于避免干擾。通常如果我們想要跳頻，PLL需要在程序結(jié)束后重新鎖定。這包括寫入頻率寄存器，并經(jīng)過VCO校準(zhǔn)時間和PLL鎖定時間，使跳躍頻率的間隔接近幾十微秒。

圖3.跳頻方案示意圖

4.3 PHY層OFDM調(diào)制

正交頻分復(fù)用(OFDM)是一種信號調(diào)制形式，它將高數(shù)據(jù)速率調(diào)制流劃分到許多緩慢調(diào)制的窄帶近距離子載波上。這使得它對選擇性頻率衰落不太敏感。缺點是峰均功率比高以及對載波偏移和漂移的敏感性。OFDM廣泛應(yīng)用于寬帶無線通信PHY層。

4.4 5G與WIFI技術(shù)

用于FPV無人機的無線視頻仍是不成熟的技術(shù)，我們將在不久的將來看到緊湊和低成本的高清FPV系統(tǒng)。降低成本的關(guān)鍵是提高片上系統(tǒng)的集成度和由此產(chǎn)生的高產(chǎn)量。當(dāng)全新的收音機、相機或顯示器概念出現(xiàn)時，范式轉(zhuǎn)變就會發(fā)生。稱為5G的下一代蜂窩和WiFi技術(shù)將利用動態(tài)波束成形來增加系統(tǒng)增益并保持低干擾。與更復(fù)雜的MIMO一起，這將進(jìn)一步提高性能和傳輸帶寬。當(dāng)技術(shù)成熟時，這些概念很可能會應(yīng)用于未來的FPV系統(tǒng)。這將帶來更高的性能、更大的范圍、更高的圖像質(zhì)量和更好的可靠性。它將使無人機能夠應(yīng)對我們目前面臨的更多挑戰(zhàn)，以及我們尚未想到的挑戰(zhàn)。

審核編輯：湯梓紅