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无人(rén)机如何实现超远距离(lí)图(tú)传

 

无线传输途径和特点

途径(jìng)

实现超远距离(lí)有很多(duō)选择,可以是有线的(de),也可以是无线(xiàn)的(de)。在(zài)一(yī)般情况下,肯(kěn)定是有线传输更(gèng)加的远,上万公(gōng)里传输都是可以的(de)。拿语音传(chuán)输(shū)来说,当面对话(huà)靠声波传输,虽(suī)然声波传(chuán)输距离很短,但是不借助高科技手(shǒu)段(duàn)也是可以的。而图像的话(huà)就必须要(yào)通过现代通讯(xùn)手段才(cái)行,比(bǐ)如光纤。

电磁波的(de)频(pín)率(lǜ)

提到(dào)现代通讯手段,就要(yào)讲到(dào)电磁(cí)波频率,通常来(lái)说,电磁波(bō)频率越(yuè)低传播越远。比(bǐ)如军(jun1)事活(huó)动所需要的保(bǎo)密通讯电话的(de)传输,就属于超短(duǎn)波(bō)频率,传输比(bǐ)较远(yuǎn),地面通讯(xùn)一般使用这种频率(对讲机等(děng))。而(ér)一些需要中继传递的通讯方(fāng)式(通过中继塔(tǎ)台等)用(yòng)的是短(duǎn)波(bō),短波就比超短(duǎn)波(bō)频(pín)率更(gèng)低,能传播的更远,几(jǐ)百(bǎi)公里上千公里(lǐ)都(dōu)是可以的,比(bǐ)如VOA的电台用的就是短(duǎn)波频率。

远距离传(chuán)输肯定是(shì)数据量越(yuè)窄传播的越远,发射(shè)功率越大灵敏度越(yuè)高,由(yóu)此就(jiù)涉及到了功率的问(wèn)题(tí)。

功率

想要超远(yuǎn)距离发射(shè)信息,功率越大发射(shè)越远。像(xiàng)那些架在高的地方的电视塔都是功率几千(qiān)瓦甚至上万瓦的。举个简单(dān)的例子(zǐ),比如广播(bō)通过(guò)塔台(tái)发射之(zhī)后(hòu),很大面积地区都(dōu)能收到广播(bō),这个功率(lǜ)肯定小不了(le),电视(shì)工作者如果暴(bào)露在(zài)发射设备下那(nà)么对身体的(de)伤害是非常大的。

综(zōng)上,各(gè)种运营商的(de)设(shè)备同(tóng)理,他(tā)们(men)加大基站或者塔台(tái)的功率,都是为了传的更远(yuǎn)。

带(dài)宽

带宽语音(yīn)一(yī)般来说都是3K左右,因为(wéi)普通人说话3K就够了,如(rú)果能够压缩的(de)话几百K就够(gòu)了,所以语音的传输带宽(kuān)是非常小的。而现在无人机(jī)的(de)带宽都是以M起步(bù),这对远(yuǎn)距(jù)离传输(shū)的挑战就(jiù)大(dà)了很多(duō)。传(chuán)输距离(lí)取(qǔ)决于灵敏(mǐn)度,根据香农公式,带宽(kuān)增(zēng)加(jiā)十倍,灵敏度就(jiù)下降十倍,所以带宽对于无线传输(shū)来(lái)说是很珍贵的。

图(tú)像传输的特点

图像传输跟普(pǔ)通信号传(chuán)输相(xiàng)比特点还是比较(jiào)鲜明的(de):

1、图像传输的(de)特点(diǎn)是数(shù)据量(liàng)太(tài)大了。TXT等文(wén)件通(tōng)常都(dōu)是(shì)几K起步,而图像数据(jù)量就大得(dé)多(duō),比如iphoness随意(yì)照张照片(piàn)就要几M了(le),所以需要的带宽要很高。

2、图(tú)像传(chuán)输不能(néng)有时(shí)延,跟(gēn)大家看电影一(yī)样(yàng),有卡顿(dùn)就不能忍受了,此外,我们(men)看电影,高(gāo)清(qīng)图像就(jiù)很爽(shuǎng),模糊就受不(bú)了。

综上,无人机传输的(de)特点就(jiù)是(shì),数据(jù)量大,延迟要求要低。这(zhè)都是无线传输最(zuì)难管控(kòng)的地方(fāng)。

无(wú)人机超(chāo)远距离传输的(de)要求

上文说过(guò),图像传输(shū)的特点是图像质量要求高(gāo),实时画面监(jiān)控延迟要低,除了这(zhè)两点外还有一些问题:

因为无人机(jī)是(shì)便携设(shè)备,所以它的功(gōng)率不可能非常的大,所(suǒ)以传输功耗要(yào)小,但是(shì)功耗小与距离远(yuǎn)就是(shì)矛盾的。

另外,无人机(jī)传输要抗干(gàn)扰能力强,因(yīn)为无人机经常要在人群(qún)密集或(huò)者(zhě)有电磁干扰等(děng)环境复杂的(de)情况下进行工作,这样(yàng)难(nán)免(miǎn)传输会受到外界影响,这也是个(gè)问题。

世(shì)界上对无人机传输也有相应的标准,这些标准也对无人机传输有了一些限制(zhì)。

传得远首先要(yào)过(guò)功耗功率(lǜ)这一关。世界(jiè)上对无(wú)人机有功(gōng)耗标准的规(guī)定,比如欧(ōu)洲(zhōu)要过CE,美国要过FCC,无(wú)人机标准(zhǔn)涉及无线通讯方面就是EMC电池兼容(róng)方(fāng)面的要求、功耗和发射功率不能超过多少等等(děng)。比(bǐ)如(rú)大疆精灵4CE要求是20 、FCC要(yào)求23,最新的产品御CE要求(qiú)23、FCC要求26,这些都给无人(rén)机的传输进(jìn)行了限制(zhì)。  

除了这些要求还有电池的发展(zhǎn)局限性,这个(gè)是个传(chuán)输以外的(de)问题,在这里(lǐ)就(jiù)不多谈了。

综(zōng)上(shàng),无人机远距离传输的要求,总结来说(shuō)就是:质量要高(gāo),功率要低,抗(kàng)干(gàn)扰能(néng)力要(yào)强,传输距离(lí)要远,国(guó)家法律法规的限制以及电池技术(shù)的发展。

距离与功耗的(de)平衡(héng)

说(shuō)了这么多要(yào)求,就(jiù)要讲一下(xià),无人(rén)机远距离(lí)传输(shū)最重要的一点,也就是(shì)距(jù)离(lí)与功耗的平衡(héng)。

根据香农公式,距离和带宽(kuān)有关系,距离远带宽就要窄,之所以限制很(hěn)多飞行(háng)设备(bèi)都在用一些(xiē)快要淘汰的调制技术(比如飞机要调幅波),就是需要(yào)平衡传输距离(lí)和功耗之间的(de)关系。

我需要传得(dé)远,那(nà)么功率就要(yào)大,但(dàn)是政(zhèng)策(cè)上(shàng)有规(guī)定(dìng)功率功耗不能大,唯一可(kě)以改(gǎi)善的就是信道信源相关的技术(shù),也(yě)就是无限通讯最重要的(de)技(jì)术(shù)。

在同样的(de)功(gōng)耗、其他部件减(jiǎn)轻、电池优化的情(qíng)况下,把(bǎ)带宽压缩,不要把图像(xiàng)完全无(wú)失真的去传输,才能保证(zhèng)距离与功耗相对的平衡。当然,这个(gè)就是要根据研发的水平来了,拿(ná)大疆举例,无(wú)人机需要30分(fèn)钟续航,那么电池就确定(dìng)了,体重也(yě)确定了(le),发射功耗确定了,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(zài)无人(rén)机图传方面的技(jì)术(shù)呢?

无人机图传技术

先用形象的方式介(jiè)绍几个(gè)名词(cí)(学通讯相关(guān)的同学可以跳过这一(yī)部分):

信(xìn)道:通信系统中传输的(de)通道,好比是高架桥。

信源:信源是产生各类信息的实(shí)体,好比是载满(mǎn)水泥的大卡车(chē)。

编码:好比是快递与打包,为了传输过程中有无损坏。

扩频(pín):是(shì)一种(zhǒng)信息处理改(gǎi)善传输(shū)性能的技术,好比是八路(lù),隐蔽性高、抗干扰能力强。

调制:好比是新的交(jiāo)通工具(jù),减少(shǎo)传递步骤。

具体(tǐ)来说(shuō),图传(chuán)就是要把一个东西准确、快速的从一(yī)个地方传递到(dào)另一个地方,要抗干(gàn)扰(rǎo),还要抓重(chóng)点。所以信源和信道就要改善,关于信道技术就是抓重(chóng)点的基础,比如目前常见的MPEG-2、MPEG-4等技术,简单地说就(jiù)是把图片(piàn)的重点压缩,抓(zhuā)住重点传输。信道(dào)编码就是为了减少(shǎo)码元数率(lǜ),减少带宽(kuān)占用,因为(wéi)传输跟带宽(kuān)有(yǒu)关系,抓住重点可以避免浪(làng)费功率。

目前无(wú)人机图传主流的技术由OFDM、WiFi等。

OFDM

在技(jì)术上,目(mù)前很多无人机喜(xǐ)欢(huān)用的传输(shū)技术为(wéi)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有很多优势,比如(rú)在窄带带宽下也能够发出大量的数据、能够对抗频率选择性衰落或(huò)窄(zhǎi)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(shí)分敏感

峰均(jun1)比(bǐ)比较高

所(suǒ)以(yǐ)把这三(sān)个缺陷(xiàn)瓶颈解决掉才是完(wán)美的技术。

WIFI

除了OFDM之外,很多厂家也都在使用WiFi技术,可能WiFi说(shuō)出来让人感觉(jiào)很低端,其(qí)实不(bú)是这样的,WiFi技术也在不停的进(jìn)步。

WiFi传输是(shì)具有高性价(jià)比的无人机图传使用最广泛的技术(shù),但是因为WiFi在技术(shù)上有很多限定,且不可修(xiū)改的,并且很(hěn)多厂家都是拿来方案直(zhí)接搭建,所以(yǐ)其缺点也(yě)十分突出:比如芯片设计成什(shí)么(me)格式就是什么(me)格式的,无法(fǎ)修改(gǎi),技术比较固化;干扰(rǎo)管理策略实时性不(bú)强;信道利用率(lǜ)比较低等等。

另外WiFi传输还有跟物(wù)理(lǐ)层的衔接不紧密的缺点,导致反(fǎn)应不迅速,传输时延较大,最多有(yǒu)秒级的时延。

在(zài)FPV模式下更需要低时(shí)延才(cái)行

说到时延,端到端的时延(yán)主要(yào)有以下几个方面:

高层组包时延

高层到物理(lǐ)层的时延(yán)

时隙(xì)资(zī)源分(fèn)配(pèi)机制导致的时(shí)延(yán)

传播的时延

物理(lǐ)层处理时延(yán),解调解码等

高(gāo)层处理时延

这两种图传方式应(yīng)该是目前无人机图(tú)传的主流。

其(qí)实(shí)总体来说,无人(rén)机远距离传输其实就是距离和功(gōng)耗之间(jiān)的平(píng)衡,其中还涉及了(le)很多调制技(jì)术(shù),比如(rú)用(yòng)扩频来提高抗干扰(rǎo)能力(lì)、信道信源技术(shù)的优化等(děng)等。

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