近年來(lái)無(wú)人機(jī)作為專業(yè)工具、娛樂和空中運(yùn)動(dòng)比賽變得日益流行。無(wú)人機(jī)是 UAV(無(wú)人駕駛飛行器)的通稱，包括許多類型的無(wú)人駕駛遙控飛行器，其中有固定翼飛機(jī)、直升機(jī)和多旋翼飛機(jī)等。

專業(yè)無(wú)人機(jī)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(jī)，房地產(chǎn)經(jīng)紀(jì)人也經(jīng)常使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行記錄。無(wú)人機(jī)還可以發(fā)現(xiàn)失蹤人員，并可以監(jiān)測(cè)面臨污染風(fēng)險(xiǎn)的棲息地。電力公司正在通過無(wú)人機(jī)檢查高壓線路，避免了昂貴的停電和危險(xiǎn)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(wú)人機(jī)來(lái)檢查訪問受限區(qū)域的軌道情況。也有快遞公司計(jì)劃通過無(wú)人機(jī)運(yùn)送小包裹。

一、無(wú)人機(jī)操作技術(shù)

無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)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(jī)載攝像機(jī)的視頻圖像，通過無(wú)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(wú)線技術(shù)

Wi-Fi可用于相當(dāng)短的距離的信號(hào)傳輸。Wi-Fi信號(hào)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(huì)因多種因素而有所不同：

發(fā)射器功率，天線越大，信號(hào)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(hào)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(huì)對(duì)Wi-Fi信號(hào)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(lái)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(jiǎn)單模擬攝像機(jī)。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(diǎn)線。這取決于一個(gè)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(wú)人機(jī)附帶的3G/4G加密狗，進(jìn)行高數(shù)據(jù)速率的無(wú)線傳輸。該解決方案可根據(jù)該運(yùn)營(yíng)區(qū)域的3G/4G網(wǎng)絡(luò)可用性來(lái)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(wú)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(wú)線高清視頻傳輸。軍事應(yīng)用，例如無(wú)人機(jī)(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?yàn)檫@些收發(fā)器的帶寬高達(dá)6GHz。一個(gè)基帶側(cè)合適的FPGA可用于數(shù)字處理。

三、無(wú)線視頻傳輸挑戰(zhàn)

無(wú)線視頻鏈接的范圍受到許多因素的限制。當(dāng)距離增加時(shí)路徑損耗本身會(huì)削弱信號(hào)，而視線中的障礙物會(huì)產(chǎn)生額外的衰減。在自然環(huán)境中無(wú)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(wú)線傳輸源可能會(huì)干擾無(wú)人機(jī)視頻傳輸信號(hào)。如果干擾信號(hào)出現(xiàn)在與無(wú)線視頻鏈路相同的頻帶中，它將充當(dāng)帶內(nèi)噪聲。這將會(huì)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(wú)人機(jī)的視頻發(fā)射器、附近的WiFi熱點(diǎn)或手機(jī)。通過選擇一個(gè)頻率盡可能遠(yuǎn)離干擾源的頻道或移動(dòng)視頻接收器和天線，可以將問題最小化。如果干擾源強(qiáng)大，但在無(wú)線鏈路的頻帶之外則稱為阻塞器。阻塞信號(hào)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(dòng)態(tài)。

圖1.無(wú)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(gè)強(qiáng)大的、無(wú)噪聲的信號(hào)，無(wú)線鏈路也可能會(huì)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(diǎn)，只需將天線移動(dòng)不到一個(gè)波長(zhǎng)即可消失。除了信號(hào)消除之外，多徑傳播還會(huì)導(dǎo)致符號(hào)延遲擴(kuò)展。來(lái)自不同路徑的符號(hào)在不同時(shí)間到達(dá)，如果延遲很大，則會(huì)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(lái)越擁擠。將其用于無(wú)線視頻傳輸和控制信號(hào)會(huì)增加信號(hào)干擾和不穩(wěn)定的機(jī)會(huì)。這對(duì)無(wú)人機(jī)造成了不良且經(jīng)常是危險(xiǎn)的情況。使用頻率切換來(lái)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(shí)，它會(huì)自動(dòng)切換到另一個(gè)頻段。例如使用該頻率并在附近運(yùn)行的兩架無(wú)人機(jī)將干擾彼此的通信。自動(dòng)切換LO頻率并重新選擇頻段將有助于保持穩(wěn)定的無(wú)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(wú)人機(jī)的優(yōu)秀特性之一。

4.2 跳頻

廣泛用于電子對(duì)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(shí)間和PLL鎖定時(shí)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(hào)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(duì)選擇性頻率衰落不太敏感。缺點(diǎn)是峰均功率比高以及對(duì)載波偏移和漂移的敏感性。OFDM廣泛應(yīng)用于寬帶無(wú)線通信PHY層。

4.4 5G與WIFI技術(shù)

用于FPV無(wú)人機(jī)的無(wú)線視頻仍是不成熟的技術(shù)，我們將在不久的將來(lái)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(jī)、相機(jī)或顯示器概念出現(xiàn)時(shí)，范式轉(zhuǎn)變就會(huì)發(fā)生。稱為5G的下一代蜂窩和WiFi技術(shù)將利用動(dòng)態(tài)波束成形來(lái)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(shí)，這些概念很可能會(huì)應(yīng)用于未來(lái)的FPV系統(tǒng)。這將帶來(lái)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(wú)人機(jī)能夠應(yīng)對(duì)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