近年(nián)來無人機(jī)作為(wèi)專業(yè)工(gōng)具、娛樂和空中運動比賽變得日益流行。無人機(jī)是 UAV(無人駕駛飛(fēi)行器(qì))的通(tōng)稱，包括許多(duō)類型的無人駕駛遙控飛(fēi)行器(qì)，其中有固定翼飛(fēi)機(jī)、直升機(jī)和多(duō)旋翼飛(fēi)機(jī)等。
專業(yè)無人機(jī)應用範圍日漸廣泛，體育賽事(shì)期間的航空攝影不必依賴昂貴的全尺寸直升機(jī)，房地産經紀人也經常使用無人機(jī)進行記錄。無人機(jī)還(hái)可以發現失蹤人員(yuán)，并可以監測面臨污染風險的栖息地。電(diàn)力公司正在通(tōng)過無人機(jī)檢查高(gāo)壓線路(lù)，避免了昂貴的停電(diàn)和危險的人工(gōng)攀登。即使是像鐵路(lù)公司這樣的保守行業(yè)也在考慮使用無人機(jī)來檢查訪問受限區域的軌道情況。也有快遞公司計劃通(tōng)過無人機(jī)運送小(xiǎo)包裹。
一(yī)、無人機(jī)操作技(jì)術(shù)
無人機(jī)可以通(tōng)過兩種不同的方式進行駕駛;一(yī)種是通(tōng)過目視觀察無人機(jī)的視線，另一(yī)種是通(tōng)過第一(yī)人稱視角(FPV)。在FPV系統中是利用機(jī)載攝像機(jī)的視頻圖像，通(tōng)過無線電(diàn)以屏幕或視頻護目鏡的形式傳輸到(dào)地面個(gè)人視頻顯示器(qì)。
二、視頻傳輸無線技(jì)術(shù)
Wi-Fi可用于相(xiàng)當短的距離的信号傳輸。Wi-Fi信号的範圍可以從(cóng)300米到(dào) 2000米不等，具體取決于設備和條件(jiàn)。傳輸範圍會(huì)因多(duō)種因素而有所不同：
發射器(qì)功率，天線越大，信号輻射越遠(yuǎn)，衰減越小(xiǎo);
天線，按電(diàn)源Whip(或電(diàn)線)、Chip、PCB或外部(通(tōng)過U.FL或RPSMA 接器(qì))的升序排列;
使用頻率,通(tōng)常頻率越低(dī)，信号可以傳播越遠(yuǎn)。
環境，周邊樹木(mù)、建築物(wù)、直接視線、大氣條件(jiàn)等都會(huì)對Wi-Fi信号範圍産生(shēng)負面影響。
頻段，首選5GHz Wifi網絡，該頻段在市(shì)區的幹擾較小(xiǎo)。其他頻段特性如下(xià)：
2.1 低(dī)于1GHz頻段
常見(jiàn)的解決方案來自(zì)那些飛(fēi)行FPV(第一(yī)人稱視角)的人，他們使用連接到(dào)900 MHz的簡單模拟攝像機(jī)。使用帶有苜蓿葉天線(一(yī)種普通(tōng)天線類型)的1W 900MHz發射器(qì)和指向您的飛(fēi)行器(qì)的18dB增益的貼片天線，可以輕松獲得5英裡(lǐ)以上(shàng)的站點線。這取決于一(yī)個(gè)人想要操作的區域以及使用此類應用程序的頻段可用性。
2.2 3G/4G頻段
你可以使用無人機(jī)附帶的3G/4G加密狗，進行高(gāo)數據速率的無線傳輸。該解決方案可根據該運營區域的3G/4G網絡可用性來使用。
2.3 定制解決方案
集成射頻收發器(qì)不僅廣泛用于蜂窩電(diàn)話基站的軟件(jiàn)定義無線電(diàn)(SDR)1架構，例如多(duō)服務分布式接入系統(MDAS)和小(xiǎo)型蜂窩，而且還(hái)用于工(gōng)業(yè)、商業(yè)和小(xiǎo)型蜂窩的無線高(gāo)清視頻傳輸。軍事(shì)應用，例如無人機(jī)(UAV)。你可以使用射頻收發器(qì)系列AD9361/AD9363并根據其頻譜可用性制造合适的硬件(jiàn)，因為(wèi)這些收發器(qì)的帶寬高(gāo)達6GHz。一(yī)個(gè)基帶側合适的FPGA可用于數字處理。
三、無線視頻傳輸挑戰
無線視頻鏈接的範圍受到(dào)許多(duō)因素的限制。當距離增加時路(lù)徑損耗本身會(huì)削弱信号，而視線中的障礙物(wù)會(huì)産生(shēng)額外的衰減。在自(zì)然環境中無線鏈路(lù)存在一(yī)些不确定的挑戰，需要給出有效的解決方案。其中以下(xià)兩方面是主要問題：
3.1 幹擾
自(zì)然環境中的其他無線傳輸源可能(néng)會(huì)幹擾無人機(jī)視頻傳輸信号。如果幹擾信号出現在與無線視頻鏈路(lù)相(xiàng)同的頻帶中，它将充當帶内噪聲。這将會(huì)降低(dī)信噪比，導緻視頻圖像嘈雜(zá)，鏈接範圍有限。典型的幹擾源可能(néng)是該區域内另一(yī)架無人機(jī)的視頻發射器(qì)、附近的WiFi熱點或手機(jī)。通(tōng)過選擇一(yī)個(gè)頻率盡可能(néng)遠(yuǎn)離幹擾源的頻道或移動視頻接收器(qì)和天線，可以将問題最小(xiǎo)化。如果幹擾源強大，但在無線鏈路(lù)的頻帶之外則稱為(wèi)阻塞器(qì)。阻塞信号可以穿透不充分的前端通(tōng)道濾波，并降低(dī)低(dī)噪聲放(fàng)大器(qì)(LNA)的動态。
3.2 反射引起的多(duō)徑衰落
即使有一(yī)個(gè)強大的、無噪聲的信号，無線鏈路(lù)也可能(néng)會(huì)突然中斷，尤其是在雜(zá)亂或城(chéng)市(shì)環境中。這可能(néng)是由于反射傳播路(lù)徑抵消了直接傳播路(lù)徑。由于與不同傳播延遲相(xiàng)關的相(xiàng)移而發生(shēng)抵消。這發生(shēng)在接收空間的特定點，隻需将天線移動不到(dào)一(yī)個(gè)波長(cháng)即可消失。除了信号消除之外，多(duō)徑傳播還(hái)會(huì)導緻符号延遲擴展。來自(zì)不同路(lù)徑的符号在不同時間到(dào)達，如果延遲很大，則會(huì)導緻誤碼。
圖2.反射引起的多(duō)徑衰落
四、克服挑戰
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(tōng)信，使其越來越擁擠。将其用于無線視頻傳輸和控制信号會(huì)增加信号幹擾和不穩定的機(jī)會(huì)。這對無人機(jī)造成了不良且經常是危險的情況。使用頻率切換來保持幹淨的頻率将使數據和控制連接更加可靠。當發射器(qì)感應到(dào)擁擠的頻率時，它會(huì)自(zì)動切換到(dào)另一(yī)個(gè)頻段。例如使用該頻率并在附近運行的兩架無人機(jī)将幹擾彼此的通(tōng)信。自(zì)動切換LO頻率并重新選擇頻段将有助于保持穩定的無線鏈路(lù)。在上(shàng)電(diàn)期間自(zì)适應選擇載波頻率或信道是高(gāo)端無人機(jī)的優秀特性之一(yī)。
4.2 跳頻
廣泛用于電(diàn)子對抗(ECM)的快速跳頻也有助于避免幹擾。通(tōng)常如果我們想要跳頻，PLL需要在程序結束後重新鎖定。這包括寫入頻率寄存器(qì)，并經過VCO校準時間和PLL鎖定時間，使跳躍頻率的間隔接近幾十微秒(miǎo)。
圖3.跳頻方案示意圖
4.3 PHY層OFDM調制
正交頻分複用(OFDM)是一(yī)種信号調制形式，它将高(gāo)數據速率調制流劃分到(dào)許多(duō)緩慢(màn)調制的窄帶近距離子載波上(shàng)。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(gāo)以及對載波偏移和漂移的敏感性。OFDM廣泛應用于寬帶無線通(tōng)信PHY層。
4.4 5G與WIFI技(jì)術(shù)
用于FPV無人機(jī)的無線視頻仍是不成熟的技(jì)術(shù)，我們将在不久的将來看(kàn)到(dào)緊湊和低(dī)成本的高(gāo)清FPV系統。降低(dī)成本的關鍵是提高(gāo)片上(shàng)系統的集成度和由此産生(shēng)的高(gāo)産量。當全新的收音(yīn)機(jī)、相(xiàng)機(jī)或顯示器(qì)概念出現時，範式轉變就(jiù)會(huì)發生(shēng)。稱為(wèi)5G的下(xià)一(yī)代蜂窩和WiFi技(jì)術(shù)将利用動态波束成形來增加系統增益并保持低(dī)幹擾。與更複雜(zá)的MIMO一(yī)起，這将進一(yī)步提高(gāo)性能(néng)和傳輸帶寬。當技(jì)術(shù)成熟時，這些概念很可能(néng)會(huì)應用于未來的FPV系統。這将帶來更高(gāo)的性能(néng)、更大的範圍、更高(gāo)的圖像質量和更好的可靠性。它将使無人機(jī)能(néng)夠應對我們目前面臨的更多(duō)挑戰，以及我們尚未想到(dào)的挑戰。
