无线传(chuán)输途径和特点
途径
实现超远距(jù)离有很多选择,可(kě)以(yǐ)是有(yǒu)线(xiàn)的,也可以是(shì)无线的。在一般情况下(xià),肯定(dìng)是有线传输更加的远(yuǎn),上(shàng)万公里传输都(dōu)是可以的。拿语(yǔ)音(yīn)传输来说(shuō),当面对话靠声波传(chuán)输,虽然声(shēng)波传输距离很短,但是不借助高科(kē)技(jì)手段也是(shì)可以的。而图像的(de)话(huà)就必须要通过现代通(tōng)讯(xùn)手段才行,比如光纤。
电磁(cí)波的频率
提(tí)到现代通(tōng)讯手段(duàn),就要讲到(dào)电磁波频率,通(tōng)常来说,电(diàn)磁(cí)波(bō)频率越低传播越远。比如军(jun1)事活动所需(xū)要(yào)的保(bǎo)密通(tōng)讯电话的传输,就属于超短波频率,传输比较远,地面通讯一般(bān)使用这种频率(对讲机等)。而一些需要中(zhōng)继传(chuán)递的通讯方式(通(tōng)过中继(jì)塔台等(děng))用的是短波,短波就(jiù)比(bǐ)超短波频率更低,能传播的更远(yuǎn),几(jǐ)百公里(lǐ)上千公里都是可以的,比如(rú)VOA的电台(tái)用(yòng)的就是短波(bō)频率。
远(yuǎn)距离传(chuán)输肯定是数(shù)据(jù)量越(yuè)窄传播的越(yuè)远,发射功率越大(dà)灵敏度越高,由此(cǐ)就涉(shè)及到了功率的问题。
功率
想(xiǎng)要超(chāo)远距离发射信息,功率越(yuè)大发射越远。像那(nà)些架(jià)在高的地方(fāng)的(de)电视塔(tǎ)都(dōu)是功率几千瓦甚至上万瓦的。举个简单的例(lì)子,比如广播通(tōng)过(guò)塔台发射之后,很大(dà)面积地(dì)区都能收到广播,这个功率肯定小不了(le),电视工作者如果暴露在发射设备下那么对身体(tǐ)的(de)伤害(hài)是非常大的。
综上,各种运营商的设备同理,他们加大(dà)基(jī)站或者塔台的功率,都是为了传的更远。
带宽
带宽(kuān)语音(yīn)一般来说都是3K左(zuǒ)右,因为普通人说话3K就够了(le),如果能够压缩(suō)的话几百K就够了,所(suǒ)以语音的传输带宽是非常小(xiǎo)的。而(ér)现在无人机的带宽都是以(yǐ)M起步,这对远距离传输的挑战(zhàn)就大了很多。传输距离取决于灵敏度,根据香农公式,带(dài)宽增(zēng)加十倍(bèi),灵敏度就下降十倍(bèi),所以带宽对(duì)于无线传输来说是很珍贵的。
图像传输的特点
图像传输跟普通信号传输相(xiàng)比特点还是(shì)比(bǐ)较鲜明的(de):
1、图像传输的特点(diǎn)是数据量(liàng)太大了。TXT等文件(jiàn)通常都是几K起步,而图像数据量就大得多(duō),比(bǐ)如iphoness随意照张照片就要几(jǐ)M了,所以需要的带宽要很(hěn)高。
2、图像传输不能有时(shí)延(yán),跟大家看电影一样,有卡顿就不能忍(rěn)受了,此外,我(wǒ)们看(kàn)电影,高(gāo)清图(tú)像就(jiù)很(hěn)爽,模糊就受不了。
综上,无人机传输的特点就是,数据量(liàng)大,延迟要求要低。这都是无线传输最难管(guǎn)控的地方。
无(wú)人机超远(yuǎn)距离传输的要求(qiú)
上文说(shuō)过,图像传输的(de)特点(diǎn)是图像质量要(yào)求高,实时画面(miàn)监控(kòng)延(yán)迟要低,除了这两(liǎng)点外还有一(yī)些问(wèn)题:
因为无(wú)人机是(shì)便携设(shè)备,所以它的(de)功率不可(kě)能非常(cháng)的大,所以(yǐ)传输功(gōng)耗(hào)要(yào)小,但(dàn)是功耗小与(yǔ)距离(lí)远就是矛盾的。
另外,无人机传输要抗干扰能力(lì)强,因为无人机(jī)经常要在人群密集或者有(yǒu)电磁干(gàn)扰等(děng)环境复杂的情况下进行工作,这样难免(miǎn)传输会(huì)受到外界(jiè)影响,这也(yě)是个问题。
世(shì)界(jiè)上对无人机传输也有(yǒu)相应的标准,这些标准也对无(wú)人机传输(shū)有了一(yī)些限(xiàn)制。
传得远首先要过功(gōng)耗功率这一关。世界上(shàng)对无人机有(yǒu)功耗(hào)标准的规定,比(bǐ)如欧洲要(yào)过CE,美国要过FCC,无人机标准涉及(jí)无线通讯方面就是EMC电池兼容(róng)方面的要求(qiú)、功(gōng)耗和发射功率不能超过多少等等。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,这些都给无人(rén)机(jī)的传输进行(háng)了限制。
除了这些要(yào)求还有电池的发展局限(xiàn)性,这个是个传输以(yǐ)外的(de)问题,在这里就不多谈了。
综上,无人机(jī)远距离传输的要求,总结来说就是:质量要高(gāo),功率要低,抗(kàng)干(gàn)扰能力要强,传输距(jù)离要远,国家法(fǎ)律法规的限制以及(jí)电(diàn)池(chí)技术的发展。
距离与功耗的平衡
说了这么多要求,就要讲一下,无人机远距离传输最重要的一点,也就是距离与功耗(hào)的平衡。
根据香农公式,距离(lí)和带宽有关(guān)系,距(jù)离远(yuǎn)带宽就要窄(zhǎi),之所(suǒ)以限制很多飞行设备都在用一些快要淘汰的(de)调制技术(比如飞机要调幅波),就是需要平衡传输距离和(hé)功(gōng)耗之(zhī)间的关系。
我需要传得远,那么(me)功率就要大,但是政策上有规定功率功耗不能大(dà),唯(wéi)一(yī)可以(yǐ)改(gǎi)善的(de)就是信(xìn)道信源相关的技术,也就是无限通讯最重(chóng)要的技术。
在同样的功(gōng)耗、其他部件减轻(qīng)、电池优(yōu)化的情况(kuàng)下,把带宽压缩,不要(yào)把图像完全无(wú)失(shī)真(zhēn)的去传输,才(cái)能保证(zhèng)距离与(yǔ)功耗相对的(de)平衡(héng)。当然,这个就是(shì)要根据研(yán)发的水(shuǐ)平来(lái)了,拿大疆举例,无人机需要30分钟续航,那么电池就确定了,体重也确定了(le),发(fā)射功耗确定(dìng)了(le),要提高距离就要优化无线传输的技术,目前那些技术是用在无人机图传方面的(de)技术呢?
无人机图传技术(shù)
先用形(xíng)象的方式介绍几个(gè)名词(学通(tōng)讯相关的同(tóng)学(xué)可以跳过这一(yī)部分):
信道:通信系(xì)统中传输的通道,好比是高架桥。
信源:信源是(shì)产生各类信息的(de)实(shí)体,好(hǎo)比是载满(mǎn)水泥(ní)的大(dà)卡车。
编(biān)码:好比是快递与打包,为了(le)传(chuán)输过程中(zhōng)有无(wú)损坏。
扩频:是一(yī)种信息处理改善传输性能的(de)技(jì)术,好比是八路,隐蔽性(xìng)高、抗干扰能(néng)力(lì)强。
调制:好比是新的交(jiāo)通工具,减少传(chuán)递步骤。
具体(tǐ)来说,图传就是要把(bǎ)一(yī)个东(dōng)西准确(què)、快(kuài)速的(de)从(cóng)一个地方传递到另(lìng)一个地(dì)方,要抗干扰(rǎo),还要抓(zhuā)重点。所以信源和信道就要改(gǎi)善(shàn),关于信(xìn)道技术就是抓重点的(de)基础,比如目(mù)前常见的MPEG-2、MPEG-4等(děng)技术(shù),简单地说就是(shì)把图片的重点压缩,抓住重点传输。信道编码就是为了减少码元数率,减少带宽(kuān)占用,因为(wéi)传(chuán)输跟带宽有关(guān)系,抓住重点(diǎn)可以避免(miǎn)浪费功率。
目前(qián)无人机图传主流的技术由OFDM、WiFi等。
OFDM
在技术上(shàng),目前很多无人机(jī)喜欢用的传(chuán)输技(jì)术为OFDM,是多载波调(diào)制的一种,该技术更适合于高(gāo)速数据的(de)传输,OFDM有很多优势,比(bǐ)如在窄带带宽(kuān)下也能够发出大量的(de)数据、能(néng)够对抗(kàng)频率选(xuǎn)择性(xìng)衰落或窄带干扰等等。
但是(shì),OFDM也(yě)有缺点:
载波频率偏(piān)移
对相位噪声和载(zǎi)波频偏十分敏感(gǎn)
峰(fēng)均比比较高(gāo)
所以把这三个(gè)缺陷(xiàn)瓶颈解决掉才是(shì)完美的技术。
WIFI
除(chú)了OFDM之外,很多厂家也都(dōu)在使用WiFi技(jì)术,可(kě)能WiFi说出来让人感觉很低(dī)端(duān),其(qí)实不是这样的,WiFi技术也在不停(tíng)的进步。
WiFi传输是具(jù)有高性价比的无人机图(tú)传(chuán)使用最广泛的技术(shù),但是因为WiFi在技术上(shàng)有很多(duō)限定,且(qiě)不可修改的,并且很多厂家都是拿来(lái)方案直接搭(dā)建,所以其缺点也十分突出:比如芯片设计(jì)成什么格式就是什么格式的(de),无法修改,技术比较固化(huà);干扰(rǎo)管理策略实时性不强;信道利用率比较低等等。
另外WiFi传输还有跟物理层的衔接不(bú)紧密的缺点,导致反应不(bú)迅速,传输时延(yán)较大(dà),最多有秒级的时延。
在(zài)FPV模式下(xià)更需要低时延才行
说到时延,端到端的时延主要有以下(xià)几个方(fāng)面:
高层组包时延
高层(céng)到物理层的(de)时延
时隙资源分配机制导(dǎo)致的时延
传播的时延
物理层处理时延,解(jiě)调解(jiě)码等
高层(céng)处(chù)理时延
这两种图传方式应该是目前无(wú)人机图传的主流。
其实(shí)总体来说,无人机(jī)远距离传(chuán)输(shū)其实就是(shì)距离和功耗之(zhī)间的平衡,其中还涉(shè)及了很多调制技(jì)术,比如用扩频来提高抗(kàng)干扰能(néng)力(lì)、信(xìn)道信源技术(shù)的优化等等。

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