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無人機視頻傳輸的挑戰與解決方案分享

發布時間：2022-11-01作者來源：金航標瀏覽(lan)：2824

近年(nian)來(lai)無(wu)人(ren)機(ji)(ji)作為(wei)專業工(gong)具、娛樂和(he)(he)空中運(yun)動比賽(sai)變(bian)得日益流行(xing)。無(wu)人(ren)機(ji)(ji)是(shi) UAV(無(wu)人(ren)駕駛飛(fei)行(xing)器(qi))的通稱(cheng)，包括許多類型的無(wu)人(ren)駕駛遙控(kong)飛(fei)行(xing)器(qi)，其中有固(gu)定翼(yi)飛(fei)機(ji)(ji)、直升機(ji)(ji)和(he)(he)多旋翼(yi)飛(fei)機(ji)(ji)等(deng)。

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專業無(wu)人(ren)(ren)(ren)機(ji)應用范圍(wei)日漸廣泛，體育賽事期間的(de)航(hang)空攝影(ying)不必(bi)依(yi)賴昂貴的(de)全(quan)尺(chi)寸直升機(ji)，房地(di)產經紀人(ren)(ren)(ren)也(ye)經常使(shi)用無(wu)人(ren)(ren)(ren)機(ji)進行記錄。無(wu)人(ren)(ren)(ren)機(ji)還可以發現失蹤(zong)人(ren)(ren)(ren)員，并(bing)可以監測面臨污染風險的(de)棲息地(di)。電力公(gong)司正(zheng)在通(tong)過無(wu)人(ren)(ren)(ren)機(ji)檢查(cha)高壓線路，避免了昂貴的(de)停電和危險的(de)人(ren)(ren)(ren)工攀登(deng)。即(ji)使(shi)是像鐵路公(gong)司這樣的(de)保守行業也(ye)在考慮使(shi)用無(wu)人(ren)(ren)(ren)機(ji)來檢查(cha)訪問受限(xian)區域的(de)軌道情況。也(ye)有(you)快(kuai)遞(di)公(gong)司計劃通(tong)過無(wu)人(ren)(ren)(ren)機(ji)運(yun)送(song)小包裹。
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一、無(wu)人機操作(zuo)技術

無人機(ji)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)(guo)兩種(zhong)不(bu)同的(de)方(fang)式進(jin)行駕駛(shi)；一(yi)種(zhong)是通(tong)過(guo)(guo)目視(shi)觀察無人機(ji)的(de)視(shi)線，另一(yi)種(zhong)是通(tong)過(guo)(guo)第一(yi)人稱視(shi)角(jiao)(FPV)。在FPV系統中是利用機(ji)載(zai)攝像(xiang)機(ji)的(de)視(shi)頻圖像(xiang)，通(tong)過(guo)(guo)無線電以(yi)屏(ping)幕或視(shi)頻護目鏡的(de)形式傳輸到(dao)地(di)面(mian)個人視(shi)頻顯示器。
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二、視頻傳(chuan)輸無線技術

Wi-Fi可(ke)用于(yu)相當短的距離的信號傳輸。Wi-Fi信號的范圍可(ke)以從300米到 2000米不等，具(ju)體(ti)取決(jue)于(yu)設(she)備和條件。傳輸范圍會因多種(zhong)因素(su)而有所不同：
  • 發射器功(gong)率(lv)，天線越大，信號輻射越遠，衰減越小(xiao)；
  • 天線，按電(dian)源Whip(或電(dian)線)、Chip、PCB或外部(通過U.FL或RPSMA 接器)的(de)升序排列；
  • 使用(yong)頻率,通(tong)常頻率越低，信號可以傳(chuan)播(bo)越遠(yuan)。
  • 環境，周(zhou)邊(bian)樹(shu)木、建(jian)筑物、直接視線、大氣條件等都會對Wi-Fi信號范圍產生負面影響。

頻段(duan)(duan)，[敏感詞]5GHz Wifi網(wang)絡，該(gai)頻段(duan)(duan)在市區的(de)干擾(rao)較(jiao)小。其他(ta)頻段(duan)(duan)特(te)性(xing)如下：
2.1 低于1GHz頻段
常見的(de)(de)解決(jue)方案來自(zi)那(nei)些(xie)飛(fei)行FPV(第一(yi)人(ren)稱(cheng)視角(jiao))的(de)(de)人(ren)，他們使(shi)用連接到900 MHz的(de)(de)簡(jian)單模擬攝像機。使(shi)用帶有苜蓿葉天線(xian)(一(yi)種普通(tong)天線(xian)類型)的(de)(de)1W 900MHz發(fa)射器(qi)和指向您(nin)的(de)(de)飛(fei)行器(qi)的(de)(de)18dB增益的(de)(de)貼(tie)片天線(xian)，可以(yi)輕松獲得5英里以(yi)上的(de)(de)站點線(xian)。這取決(jue)于一(yi)個人(ren)想要操作的(de)(de)區域以(yi)及使(shi)用此(ci)類應(ying)用程(cheng)序的(de)(de)頻段可用性。
2.2 3G/4G頻段
你可(ke)以(yi)使用(yong)無人機附(fu)帶的(de)3G/4G加密狗(gou)，進行(xing)高數據速率的(de)無線傳輸(shu)。該解決方案可(ke)根(gen)據該運(yun)營區(qu)域的(de)3G/4G網絡可(ke)用(yong)性來使用(yong)。
2.3 定制解決方案
集成(cheng)射(she)頻收(shou)發器不僅廣泛(fan)用(yong)于蜂(feng)窩電話基(ji)站的軟件(jian)定義無(wu)線(xian)電(SDR)1架構，例(li)如多(duo)服務分布式(shi)接入系(xi)統(MDAS)和(he)小(xiao)(xiao)型(xing)蜂(feng)窩，而(er)且還用(yong)于工業、商業和(he)小(xiao)(xiao)型(xing)蜂(feng)窩的無(wu)線(xian)高(gao)清視頻傳輸。[敏(min)感詞]應(ying)用(yong)，例(li)如無(wu)人機(UAV)。你(ni)可(ke)以使用(yong)射(she)頻收(shou)發器系(xi)列AD9361/AD9363并根據其頻譜可(ke)用(yong)性制造合(he)適(shi)的硬件(jian)，因為這些收(shou)發器的帶寬高(gao)達6GHz。一個基(ji)帶側合(he)適(shi)的FPGA可(ke)用(yong)于數字處理。

三、無線視頻傳輸挑戰

無線視頻鏈接的范圍受到許多因素的限制。當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生額外的衰減。在自然環境中無線鏈路存在一些不確定的挑戰，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
自然環境中的(de)其他(ta)無線(xian)傳(chuan)輸(shu)源可(ke)能(neng)會干(gan)擾(rao)無人(ren)機視(shi)頻(pin)(pin)傳(chuan)輸(shu)信(xin)號(hao)。如(ru)果(guo)(guo)干(gan)擾(rao)信(xin)號(hao)出(chu)現(xian)在(zai)與無線(xian)視(shi)頻(pin)(pin)鏈(lian)路相同的(de)頻(pin)(pin)帶(dai)中，它將充當(dang)帶(dai)內噪聲(sheng)。這將會降低信(xin)噪比(bi)，導致視(shi)頻(pin)(pin)圖像嘈雜，鏈(lian)接范圍有限。典(dian)型的(de)干(gan)擾(rao)源可(ke)能(neng)是該區域內另一(yi)架無人(ren)機的(de)視(shi)頻(pin)(pin)發射器、附近的(de)WiFi熱點(dian)或(huo)手機。通過選(xuan)擇一(yi)個頻(pin)(pin)率盡可(ke)能(neng)遠離干(gan)擾(rao)源的(de)頻(pin)(pin)道或(huo)移動視(shi)頻(pin)(pin)接收(shou)器和天線(xian)，可(ke)以(yi)將問(wen)題最(zui)小化。如(ru)果(guo)(guo)干(gan)擾(rao)源強大(da)，但在(zai)無線(xian)鏈(lian)路的(de)頻(pin)(pin)帶(dai)之外則稱為阻(zu)塞器。阻(zu)塞信(xin)號(hao)可(ke)以(yi)穿透(tou)不充分(fen)的(de)前端通道濾(lv)波，并降低低噪聲(sheng)放大(da)器(LNA)的(de)動態。

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圖1.無人視頻傳輸干(gan)擾示意圖
3.2 反射引起(qi)的多徑(jing)衰落
即(ji)使有一個(ge)強大的、無(wu)(wu)噪聲的信號(hao)，無(wu)(wu)線(xian)鏈路也可能(neng)會(hui)突然中斷，尤(you)其是(shi)在(zai)(zai)雜亂或城(cheng)市(shi)環境(jing)中。這可能(neng)是(shi)由于反射傳播(bo)路徑抵消了直接(jie)傳播(bo)路徑。由于與不(bu)同(tong)(tong)傳播(bo)延(yan)遲相關(guan)的相移而發(fa)生(sheng)抵消。這發(fa)生(sheng)在(zai)(zai)接(jie)收空(kong)間的特定(ding)點(dian)，只(zhi)需將天(tian)線(xian)移動不(bu)到一個(ge)波長即(ji)可消失。除(chu)了信號(hao)消除(chu)之外，多(duo)徑傳播(bo)還會(hui)導致(zhi)符號(hao)延(yan)遲擴展。來(lai)自不(bu)同(tong)(tong)路徑的符號(hao)在(zai)(zai)不(bu)同(tong)(tong)時間到達，如果延(yan)遲很大，則會(hui)導致(zhi)誤碼(ma)。

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圖(tu)2.反射引起(qi)的多徑衰落



四、克服挑戰

4.1 射(she)頻頻率切換
2.4 GHz頻(pin)(pin)率(lv)被廣泛用于Wi-Fi、Bluetooth?和(he)IoT短距(ju)離通信(xin)，使(shi)其越來越擁擠。將(jiang)(jiang)其用于無(wu)線視頻(pin)(pin)傳輸和(he)控(kong)制(zhi)信(xin)號會(hui)(hui)增(zeng)加(jia)信(xin)號干擾和(he)不穩(wen)定(ding)的(de)(de)(de)機(ji)會(hui)(hui)。這對無(wu)人機(ji)造(zao)成(cheng)了不良(liang)且經常是危險(xian)的(de)(de)(de)情(qing)況。使(shi)用頻(pin)(pin)率(lv)切換來保(bao)持干凈的(de)(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)將(jiang)(jiang)使(shi)數(shu)據和(he)控(kong)制(zhi)連接更加(jia)可靠。當(dang)發(fa)射(she)器感應到(dao)擁擠的(de)(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)時，它會(hui)(hui)自動切換到(dao)另一(yi)個頻(pin)(pin)段。例如使(shi)用該頻(pin)(pin)率(lv)并在附(fu)近(jin)運行的(de)(de)(de)兩架無(wu)人機(ji)將(jiang)(jiang)干擾彼此(ci)的(de)(de)(de)通信(xin)。自動切換LO頻(pin)(pin)率(lv)并重新選(xuan)擇(ze)頻(pin)(pin)段將(jiang)(jiang)有(you)助(zhu)于保(bao)持穩(wen)定(ding)的(de)(de)(de)無(wu)線鏈路。在上(shang)電(dian)期(qi)間自適應選(xuan)擇(ze)載(zai)波頻(pin)(pin)率(lv)或信(xin)道是高(gao)端無(wu)人機(ji)的(de)(de)(de)優秀特性(xing)之一(yi)。
4.2 跳頻
廣泛用(yong)于電子對抗(ECM)的(de)快速(su)跳(tiao)(tiao)頻(pin)也有助(zhu)于避免(mian)干擾(rao)。通常(chang)如果我們想要(yao)跳(tiao)(tiao)頻(pin)，PLL需(xu)要(yao)在(zai)程序(xu)結(jie)束(shu)后重新鎖定。這包括寫(xie)入頻(pin)率寄(ji)存器，并經過VCO校準(zhun)時間和PLL鎖定時間，使跳(tiao)(tiao)躍頻(pin)率的(de)間隔接近(jin)幾(ji)十微秒。

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圖3.跳頻方案示意圖


4.3 PHY層OFDM調(diao)制
正交頻(pin)分(fen)復用(yong)(OFDM)是一種信(xin)(xin)號調制(zhi)形式，它(ta)將高(gao)數據速(su)率(lv)調制(zhi)流劃分(fen)到許(xu)多緩慢(man)調制(zhi)的窄(zhai)帶近距(ju)離子載波上。這使(shi)得它(ta)對選擇性(xing)頻(pin)率(lv)衰落不太敏(min)感。缺點(dian)是峰均功率(lv)比高(gao)以及(ji)對載波偏移和漂(piao)移的敏(min)感性(xing)。OFDM廣泛(fan)應(ying)用(yong)于寬帶無線通信(xin)(xin)PHY層。
4.4 5G與WIFI技術
用(yong)(yong)于FPV無人機(ji)的(de)(de)(de)(de)無線視(shi)頻仍(reng)是不(bu)成(cheng)熟的(de)(de)(de)(de)技術(shu)，我(wo)們將(jiang)在不(bu)久的(de)(de)(de)(de)將(jiang)來看到(dao)緊湊和低成(cheng)本(ben)的(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)(gao)清FPV系(xi)統(tong)(tong)。降低成(cheng)本(ben)的(de)(de)(de)(de)關鍵(jian)是提(ti)高(gao)(gao)(gao)片(pian)上系(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)集(ji)成(cheng)度和由此(ci)產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)(gao)產量。當全新(xin)的(de)(de)(de)(de)收音機(ji)、相機(ji)或(huo)顯示器概(gai)念出(chu)現時(shi)，范(fan)式轉變就會(hui)發生(sheng)。稱為5G的(de)(de)(de)(de)下一(yi)代蜂窩和WiFi技術(shu)將(jiang)利用(yong)(yong)動態波束成(cheng)形來增加系(xi)統(tong)(tong)增益并保持低干擾。與(yu)更(geng)(geng)復雜的(de)(de)(de)(de)MIMO一(yi)起，這將(jiang)進一(yi)步提(ti)高(gao)(gao)(gao)性能和傳輸帶寬(kuan)。當技術(shu)成(cheng)熟時(shi)，這些概(gai)念很可能會(hui)應用(yong)(yong)于未(wei)來的(de)(de)(de)(de)FPV系(xi)統(tong)(tong)。這將(jiang)帶來更(geng)(geng)高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)性能、更(geng)(geng)大的(de)(de)(de)(de)范(fan)圍、更(geng)(geng)高(gao)(gao)(gao)的(de)(de)(de)(de)圖像質(zhi)量和更(geng)(geng)好的(de)(de)(de)(de)可靠性。它將(jiang)使無人機(ji)能夠應對我(wo)們目前面臨的(de)(de)(de)(de)更(geng)(geng)多挑(tiao)戰，以及我(wo)們尚(shang)未(wei)想到(dao)的(de)(de)(de)(de)挑(tiao)戰。

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