无线传输途径和特点
途(tú)径
实现(xiàn)超远距离有很多选择,可以是有(yǒu)线的,也可以是无线(xiàn)的。在一般情况下,肯定是有线传输(shū)更加的远,上(shàng)万公里传输都(dōu)是可以的。拿语音传输来说,当面对话靠声波传(chuán)输,虽然声波传输距离很(hěn)短,但是不借助高科技手段也是可以的。而图像的话就必须(xū)要通过现代通讯手段才行,比如(rú)光纤。
电磁波的频率
提到现代通(tōng)讯手段,就要讲(jiǎng)到电磁波频率,通常来(lái)说,电磁波频率(lǜ)越(yuè)低传播越(yuè)远。比如军事活动所需要的保(bǎo)密通讯电话的传输,就属于超短波频率,传输比较远(yuǎn),地面通讯一(yī)般使用这种频率(对讲(jiǎng)机等)。而一些需(xū)要中继传递的通讯方式(通过(guò)中继塔台(tái)等)用的(de)是短(duǎn)波,短(duǎn)波(bō)就比超(chāo)短波频率更(gèng)低,能传播的更远,几百公(gōng)里上(shàng)千公里(lǐ)都(dōu)是可(kě)以的,比如VOA的(de)电台用的就是短(duǎn)波频率。
远距离(lí)传输肯定是数据量越(yuè)窄传(chuán)播的越远,发射功率(lǜ)越大灵敏度越(yuè)高,由此就涉(shè)及到了功率(lǜ)的问题。
功率
想要超远距离(lí)发射信息,功率越大发(fā)射越(yuè)远。像那些架在(zài)高的地(dì)方的电视塔都是功(gōng)率(lǜ)几千瓦甚(shèn)至上万瓦的(de)。举个简(jiǎn)单的(de)例子,比如广播(bō)通过(guò)塔台(tái)发(fā)射之后,很(hěn)大面积(jī)地区都(dōu)能(néng)收到广播,这个功率肯定小(xiǎo)不了,电视工作者如果暴露在发射(shè)设备下那么对(duì)身(shēn)体(tǐ)的(de)伤害是非常大的。
综上,各种运营商(shāng)的设备同理,他(tā)们加大基站或者塔台的功率,都是为(wéi)了传的更(gèng)远。
带宽
带(dài)宽(kuān)语音(yīn)一般来说都是3K左右(yòu),因为普(pǔ)通人(rén)说话3K就够了,如果能够压缩(suō)的话几百(bǎi)K就(jiù)够了,所以语音(yīn)的传输带宽是非常小的(de)。而现在无(wú)人机的带宽都是以M起步,这(zhè)对远距(jù)离传(chuán)输的挑(tiāo)战就大了很多。传输距离取决于灵敏度,根据(jù)香农公式(shì),带宽增加十倍(bèi),灵敏度就下降十倍,所以带宽对于(yú)无线传输来(lái)说是很珍贵的。
图像(xiàng)传(chuán)输(shū)的特点
图像传输跟普通信号(hào)传输相比(bǐ)特(tè)点还是比(bǐ)较(jiào)鲜明(míng)的:
1、图像传输的(de)特点(diǎn)是数据量太大了。TXT等文件通常都是几(jǐ)K起步,而图像数据量就(jiù)大得多,比如iphoness随意照张照片就要几M了,所以需要的带宽要很高(gāo)。
2、图像传(chuán)输不能有时延,跟(gēn)大家看电影一样,有卡顿就不能忍受(shòu)了,此外,我们看电影,高清图像就很爽,模糊就(jiù)受不了。
综(zōng)上(shàng),无人(rén)机传输的特点就是(shì),数据量大,延迟要求(qiú)要低。这都是无线传输最难管控的地方。
无人机(jī)超远(yuǎn)距离传输的要求
上文说过,图像(xiàng)传输(shū)的特点是图像质量要求(qiú)高,实时画面监控延(yán)迟(chí)要(yào)低,除了(le)这两点外(wài)还(hái)有一些问题:
因为无人机是便携设备,所以它的功率不可能非常(cháng)的大,所(suǒ)以传输(shū)功耗要小(xiǎo),但是功耗小(xiǎo)与距离远就是矛盾的。
另(lìng)外,无人机传输要抗(kàng)干扰能力强,因为无人机经常(cháng)要(yào)在人群密集(jí)或(huò)者有电(diàn)磁干(gàn)扰等环境(jìng)复(fù)杂(zá)的情况下进行(háng)工作,这样难免传(chuán)输(shū)会(huì)受到外界(jiè)影响,这也是个问题。
世(shì)界上对无(wú)人机传输(shū)也有相应(yīng)的标准,这些标准(zhǔn)也对(duì)无人(rén)机传输有了(le)一些(xiē)限制。
传得远首先要(yào)过功耗功率这一关(guān)。世界上对(duì)无人机有功耗标准的规定,比如欧洲要过CE,美国要过(guò)FCC,无人(rén)机标准涉及无线(xiàn)通讯(xùn)方面就(jiù)是EMC电池兼容方面的(de)要求、功耗和发射功率不能(néng)超(chāo)过多少等等。比(bǐ)如大疆精灵4的CE要求是20 、FCC要求23,最新的产品御CE要求23、FCC要求26,这些(xiē)都给无人机的传输进行了限制。
除(chú)了这些(xiē)要求(qiú)还有电池(chí)的发展局限(xiàn)性,这个是个传输以(yǐ)外的(de)问题,在这里就(jiù)不多谈了。
综上(shàng),无人机远距(jù)离传(chuán)输(shū)的要(yào)求,总结来说就是:质量要高,功率要低,抗干扰能力(lì)要强,传输(shū)距离要(yào)远,国家法律法规的(de)限(xiàn)制以及电池技术的发(fā)展。
距(jù)离与功耗的(de)平衡
说了这(zhè)么多要求,就要讲一下,无人机远距离传输最重(chóng)要的(de)一点,也就是距离与功耗的平衡(héng)。
根(gēn)据香(xiāng)农公式,距离和带宽有关系,距离远带宽就要(yào)窄,之(zhī)所以限制很多(duō)飞行(háng)设备都在用一(yī)些快(kuài)要淘汰的(de)调制(zhì)技术(比如飞(fēi)机要调幅波),就(jiù)是(shì)需要平衡传输距离和功耗之间的关系(xì)。
我需要传得远,那么功率就(jiù)要(yào)大,但是政(zhèng)策上有规定功率功耗不能大,唯一可以改善的就是(shì)信道(dào)信源(yuán)相关的技术,也就是无限通讯最重要的(de)技术(shù)。
在同样的(de)功耗、其他(tā)部件(jiàn)减轻、电池优(yōu)化的情况下(xià),把(bǎ)带宽压缩,不要把图像(xiàng)完全无失(shī)真(zhēn)的去传输,才能保证距(jù)离(lí)与(yǔ)功(gōng)耗相对的(de)平衡。当然,这个(gè)就是要根据(jù)研(yán)发的水平来(lái)了(le),拿(ná)大疆(jiāng)举例(lì),无人(rén)机需(xū)要(yào)30分钟续航,那么电池就确定(dìng)了,体重(chóng)也确定了,发(fā)射(shè)功耗确(què)定了,要提高(gāo)距离就要优化无线传(chuán)输的(de)技术,目前那些技(jì)术是用在无人(rén)机(jī)图传方面的技术呢?
无人机(jī)图传技术
先用形象的方式介绍几(jǐ)个名词(学通讯相(xiàng)关的同学可以跳过这一部分):
信道:通信系统中传输的通道,好比是高架桥。
信源:信源(yuán)是产生各类(lèi)信(xìn)息的实体,好比是载满水泥的大卡(kǎ)车(chē)。
编码:好比是快递与打包,为了传输过程中有无损坏(huài)。
扩(kuò)频:是(shì)一(yī)种(zhǒng)信(xìn)息处理改善传输(shū)性能的(de)技术,好比是(shì)八路,隐蔽性高、抗干扰(rǎo)能力强。
调制:好比是新的交通工具,减少传递步骤。
具体来说,图传(chuán)就(jiù)是要把(bǎ)一个东西(xī)准确、快速(sù)的从一个地方(fāng)传递到另一个地方,要(yào)抗干扰,还要(yào)抓重点。所以(yǐ)信源和信道(dào)就要改善,关于信(xìn)道技术(shù)就是抓(zhuā)重点(diǎn)的基础,比如目前常见的MPEG-2、MPEG-4等技术,简(jiǎn)单地说就是把(bǎ)图片的重(chóng)点压缩,抓住重(chóng)点传(chuán)输。信道编码就是为了减少码元数率,减(jiǎn)少(shǎo)带宽占(zhàn)用(yòng),因为传输跟带宽有关系,抓住重点可以避(bì)免(miǎn)浪费功(gōng)率。
目前无人机图传(chuán)主流的技(jì)术由(yóu)OFDM、WiFi等。
OFDM
在技术上,目前(qián)很多无人机(jī)喜欢用(yòng)的(de)传输(shū)技术为OFDM,是多载波调制的一种,该技术更适合于高(gāo)速数(shù)据的传输(shū),OFDM有(yǒu)很(hěn)多优势,比如在窄带(dài)带宽(kuān)下也能够发(fā)出大(dà)量(liàng)的数据(jù)、能够对抗(kàng)频率选择(zé)性衰落或窄带干扰等等。
但是,OFDM也有缺点:
载波频率偏移
对相位噪声(shēng)和(hé)载(zǎi)波频(pín)偏(piān)十(shí)分敏感
峰均比比较高
所以把(bǎ)这(zhè)三个缺陷瓶颈解决掉才是完美的技(jì)术。
WIFI
除了OFDM之外,很多厂家也都在使用WiFi技术,可能WiFi说(shuō)出来让人(rén)感(gǎn)觉很低端,其实不是这样的,WiFi技(jì)术也在不停的(de)进(jìn)步。
WiFi传输是具有高性(xìng)价比的无人机图传使用最广泛的技术,但是因为WiFi在技术上有很(hěn)多限定,且不(bú)可(kě)修改的,并且很多厂家都(dōu)是拿来(lái)方案直接搭建,所(suǒ)以其缺(quē)点也十分突出:比如(rú)芯片(piàn)设计成什么格式(shì)就是什么格式(shì)的,无法修改,技(jì)术比较固化;干扰(rǎo)管(guǎn)理策略实时性(xìng)不强(qiáng);信道利用率(lǜ)比较(jiào)低等等(děng)。
另外WiFi传输还有跟物理层的衔(xián)接(jiē)不紧密的缺点,导致反应(yīng)不迅速,传输时延较(jiào)大,最多(duō)有(yǒu)秒级的时(shí)延。
在(zài)FPV模(mó)式下更需(xū)要低时延(yán)才行(háng)
说到时延(yán),端到端的时延主要有以下几个方面:
高层(céng)组包时延
高层到(dào)物理(lǐ)层的时延
时隙资源分配机(jī)制导(dǎo)致的时延
传播的时延
物理层处理时延,解调解码等
高层处理(lǐ)时延
这两种(zhǒng)图传方(fāng)式应该(gāi)是目前无(wú)人(rén)机(jī)图传的主流。
其(qí)实总体来(lái)说(shuō),无人(rén)机远距离传输其实就是(shì)距离和(hé)功耗之间的平衡(héng),其中(zhōng)还涉及了(le)很多调制技术,比如用扩频来(lái)提高抗(kàng)干扰能力、信道(dào)信源技术的优(yōu)化等等。

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