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无人机无线视频传输的应用挑战
发布时间: 2022-03-07


    近年来无人机作为专业工具、娱乐和空中运动比赛变得日益流行。无人机是 UAV(无人驾驶飞行器)的通称,包括许多类型的无人驾驶遥控飞行器,其中有固定翼飞机、直升机和多旋翼飞机等。

    专业无人机应用范围日渐广泛,体育赛事期间的航空摄影不必依赖昂贵的全尺寸直升机,房地产经纪人也经常使用无人机进行记录。无人机还可以发现失踪人员,并可以监测面临污染风险的栖息地。电力公司正在通过无人机检查高压线路,避免了昂贵的停电和危险的人工攀登。即使是像铁路公司这样的保守行业也在考虑使用无人机来检查访问受限区域的轨道情况。也有快递公司计划通过无人机运送小包裹。

一、无人机操作技术

    无人机可以通过两种不同的方式进行驾驶;一种是通过目视观察无人机的视线,另一种是通过第一人称视角(FPV)。在FPV系统中是利用机载摄像机的视频图像,通过无线电以屏幕或视频护目镜的形式传输到地面个人视频显示器。

二、视频传输无线技术

    Wi-Fi可用于相当短的距离的信号传输。Wi-Fi信号的范围可以从300米到 2000米不等,具体取决于设备和条件。传输范围会因多种因素而有所不同:

发射器功率,天线越大,信号辐射越远,衰减越小;

天线,按电源Whip(或电线)、Chip、PCB或外部(通过U.FL或RPSMA 接器)的升序排列;

使用频率,通常频率越低,信号可以传播越远。

环境,周边树木、建筑物、直接视线、大气条件等都会对Wi-Fi信号范围产生负面影响。

频段,首选5GHz Wifi网络,该频段在市区的干扰较小。其他频段特性如下:

2.1 低于1GHz频段

常见的解决方案来自那些飞行FPV(第一人称视角)的人,他们使用连接到900 MHz的简单模拟摄像机。使用带有苜蓿叶天线(一种普通天线类型)的1W 900MHz发射器和指向您的飞行器的18dB增益的贴片天线,可以轻松获得5英里以上的站点线。这取决于一个人想要操作的区域以及使用此类应用程序的频段可用性。

2.2 3G/4G频段

你可以使用无人机附带的3G/4G加密狗,进行高数据速率的无线传输。该解决方案可根据该运营区域的3G/4G网络可用性来使用。

2.3 定制解决方案

    集成射频收发器不仅广泛用于蜂窝电话基站的软件定义无线电(SDR)1架构,例如多服务分布式接入系统(MDAS)和小型蜂窝,而且还用于工业、商业和小型蜂窝的无线高清视频传输。军事应用,例如无人机(UAV)。你可以使用射频收发器系列AD9361/AD9363并根据其频谱可用性制造合适的硬件,因为这些收发器的带宽高达6GHz。一个基带侧合适的FPGA可用于数字处理。

三、无线视频传输挑战

    无线视频链接的范围受到许多因素的限制。当距离增加时路径损耗本身会削弱信号,而视线中的障碍物会产生额外的衰减。在自然环境中无线链路存在一些不确定的挑战,需要给出有效的解决方案。其中以下两方面是主要问题:

3.1 干扰

    自然环境中的其他无线传输源可能会干扰无人机视频传输信号。如果干扰信号出现在与无线视频链路相同的频带中,它将充当带内噪声。这将会降低信噪比,导致视频图像嘈杂,链接范围有限。典型的干扰源可能是该区域内另一架无人机的视频发射器、附近的WiFi热点或手机。通过选择一个频率尽可能远离干扰源的频道或移动视频接收器和天线,可以将问题最小化。如果干扰源强大,但在无线链路的频带之外则称为阻塞器。阻塞信号可以穿透不充分的前端通道滤波,并降低低噪声放大器(LNA)的动态。

 

3.2 反射引起的多径衰落

    即使有一个强大的、无噪声的信号,无线链路也可能会突然中断,尤其是在杂乱或城市环境中。这可能是由于反射传播路径抵消了直接传播路径。由于与不同传播延迟相关的相移而发生抵消。这发生在接收空间的特定点,只需将天线移动不到一个波长即可消失。除了信号消除之外,多径传播还会导致符号延迟扩展。来自不同路径的符号在不同时间到达,如果延迟很大,则会导致误码。

 

图2.反射引起的多径衰落

四、克服挑战

4.1 射频频率切换

    2.4 GHz频率被广泛用于Wi-Fi、Bluetooth和IoT短距离通信,使其越来越拥挤。将其用于无线视频传输和控制信号会增加信号干扰和不稳定的机会。这对无人机造成了不良且经常是危险的情况。使用频率切换来保持干净的频率将使数据和控制连接更加可靠。当发射器感应到拥挤的频率时,它会自动切换到另一个频段。例如使用该频率并在附近运行的两架无人机将干扰彼此的通信。自动切换LO频率并重新选择频段将有助于保持稳定的无线链路。在上电期间自适应选择载波频率或信道是高端无人机的优秀特性之一。

4.2 跳频

    广泛用于电子对抗(ECM)的快速跳频也有助于避免干扰。通常如果我们想要跳频,PLL需要在程序结束后重新锁定。这包括写入频率寄存器,并经过VCO校准时间和PLL锁定时间,使跳跃频率的间隔接近几十微秒。

 

图3.跳频方案示意图

4.3 PHY层OFDM调制

    正交频分复用(OFDM)是一种信号调制形式,它将高数据速率调制流划分到许多缓慢调制的窄带近距离子载波上。这使得它对选择性频率衰落不太敏感。缺点是峰均功率比高以及对载波偏移和漂移的敏感性。OFDM广泛应用于宽带无线通信PHY层。

4.4 5GWIFI技术

    用于FPV无人机的无线视频仍是不成熟的技术,我们将在不久的将来看到紧凑和低成本的高清FPV系统。降低成本的关键是提高片上系统的集成度和由此产生的高产量。当全新的收音机、相机或显示器概念出现时,范式转变就会发生。称为5G的下一代蜂窝和WiFi技术将利用动态波束成形来增加系统增益并保持低干扰。与更复杂的MIMO一起,这将进一步提高性能和传输带宽。当技术成熟时,这些概念很可能会应用于未来的FPV系统。这将带来更高的性能、更大的范围、更高的图像质量和更好的可靠性。它将使无人机能够应对我们目前面临的更多挑战,以及我们尚未想到的挑战。


 


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