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，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。

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，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