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无人(rén)机如何实(shí)现超(chāo)远距离图传

 

无线(xiàn)传(chuán)输途径和特点

途径

实现超(chāo)远距(jù)离有很多选择(zé),可以是有线的,也(yě)可(kě)以是无(wú)线的。在一(yī)般情(qíng)况下,肯定是(shì)有线传(chuán)输更加的远,上万公(gōng)里传输都是可以的(de)。拿语(yǔ)音传输来说(shuō),当面对话靠声波传输,虽然声波传输距离(lí)很短,但是不借助高科技手段也是可以(yǐ)的。而图像的话就必(bì)须要通过现代(dài)通讯手(shǒu)段(duàn)才行,比如(rú)光纤。

电磁波的频率

提到现代通讯手段,就要讲到电磁波频(pín)率,通常来说,电磁(cí)波频(pín)率越低传播越远。比如军事活动所(suǒ)需要的保(bǎo)密通讯电话的传输,就(jiù)属于超短波频率,传输比较远,地面(miàn)通(tōng)讯一般使用这种频率(对(duì)讲机等)。而(ér)一些(xiē)需要中继传递的通讯方式(通过中(zhōng)继塔台(tái)等)用(yòng)的是短波,短波就比(bǐ)超短波频率更低,能传播的更远,几百公里上千公里都是可以的,比如VOA的电台(tái)用的(de)就是短(duǎn)波频率。

远距(jù)离传输肯定(dìng)是数据(jù)量越窄传播的(de)越(yuè)远,发射功率(lǜ)越大(dà)灵敏(mǐn)度(dù)越高,由此就涉及到了功率的(de)问题。

功率

想要超远距离发射信(xìn)息,功率越大发射越远。像那些架(jià)在高的地方(fāng)的电视塔都是功(gōng)率几千瓦甚至上万瓦的。举(jǔ)个简(jiǎn)单的例子,比如广(guǎng)播通过塔台发(fā)射之后,很(hěn)大面积地区都能收(shōu)到广播,这个功率肯定小不了,电视工作者如果暴露在发射设备下(xià)那么(me)对身体的伤害是非常大的。

综上,各种运营商的设备同(tóng)理,他们(men)加大基站或者塔(tǎ)台的功率,都是(shì)为了传(chuán)的更远。

带宽

带宽语音一(yī)般来(lái)说都是(shì)3K左(zuǒ)右,因为普通(tōng)人说话3K就够了,如果能够压缩的话几百(bǎi)K就够了,所以语音的传输(shū)带宽是非常(cháng)小(xiǎo)的。而现在无人机的带(dài)宽都是以M起步,这对远距离传输(shū)的挑战就大(dà)了很(hěn)多(duō)。传输距离取决于(yú)灵(líng)敏度,根(gēn)据香(xiāng)农公式,带(dài)宽增加十倍,灵敏度就下降(jiàng)十倍,所以(yǐ)带(dài)宽对于无线传(chuán)输来说是很(hěn)珍贵(guì)的(de)。

图像传输的特点

图像传输跟普(pǔ)通信号传输相比特(tè)点还是比较鲜明的:

1、图像传输的特点是数据量(liàng)太大(dà)了(le)。TXT等文件通常都是几K起步,而图像数据量就大得多,比如iphoness随(suí)意照张照片(piàn)就要几M了(le),所以需要(yào)的(de)带宽(kuān)要很高。

2、图像传(chuán)输不能有时(shí)延,跟大(dà)家看电影一样(yàng),有卡顿就不能忍受了,此(cǐ)外,我们看电影,高清图像(xiàng)就很爽,模糊就受不了。

综上,无人机(jī)传(chuán)输的特点就(jiù)是,数据量大,延迟(chí)要求要低。这(zhè)都是无线传输最难管控的地方。

无人机超远距离传输的要求(qiú)

上文说过,图像传输的特点是(shì)图像质量要求高(gāo),实时画面监控延迟要低,除了这两(liǎng)点外(wài)还有一些问题:

因为(wéi)无(wú)人机是便携设备,所以(yǐ)它的功率不可能非常的大,所以传输功耗(hào)要小,但是功耗(hào)小与距离远就是矛盾的。

另(lìng)外,无(wú)人机传输要抗干扰(rǎo)能力强,因为(wéi)无人机经(jīng)常要在(zài)人群密集或者有(yǒu)电磁干(gàn)扰等环境(jìng)复杂(zá)的情况下进行工作,这样(yàng)难免传输会受到外界影响,这也是个问题(tí)。

世界上对(duì)无人机传输也有(yǒu)相应的标准,这(zhè)些(xiē)标(biāo)准(zhǔn)也对无(wú)人机(jī)传输有(yǒu)了一(yī)些限制。

传得远(yuǎn)首先要(yào)过功耗功(gōng)率这一关。世(shì)界上对无人(rén)机有功(gōng)耗(hào)标准的规定,比(bǐ)如欧洲要过CE,美国要过FCC,无(wú)人(rén)机(jī)标准涉及无(wú)线(xiàn)通讯方面就是EMC电池(chí)兼容方面(miàn)的要(yào)求、功耗和发射功(gōng)率不能超过多少等等(děng)。比如大(dà)疆精灵4CE要求是20 FCC要求23,最(zuì)新的产品御CE要求23FCC要求(qiú)26,这些都给无人机的(de)传输进行了限制。  

除了这些要求还有电池的发展局限(xiàn)性,这个(gè)是个传输(shū)以外的问题,在这里(lǐ)就不多谈了。

综上(shàng),无人(rén)机远距离传输的要(yào)求,总(zǒng)结来说就是:质(zhì)量要(yào)高,功率要低,抗干扰(rǎo)能力要(yào)强,传输距离要远,国(guó)家(jiā)法律法规的限制以及(jí)电池技(jì)术(shù)的(de)发(fā)展。

距离与功(gōng)耗的平(píng)衡

说了这么(me)多要求,就要讲一(yī)下,无人机远距离传(chuán)输最重要的(de)一点,也就是距离与(yǔ)功(gōng)耗的平衡。

根(gēn)据香农(nóng)公式,距离和(hé)带宽有(yǒu)关系,距离远带宽(kuān)就要窄,之所以限制很多(duō)飞行设备都在用一些快要淘汰(tài)的调制技术(比如(rú)飞机要调幅波),就(jiù)是需要平衡传输距离(lí)和功(gōng)耗之(zhī)间(jiān)的关系。

我需要传得远(yuǎn),那么功率(lǜ)就要大(dà),但是政(zhèng)策上有规定功率功耗(hào)不能(néng)大(dà),唯一可以改(gǎi)善的(de)就是信道信源相关的(de)技术,也就是无限通讯最重要的技(jì)术。

在同样的功(gōng)耗、其(qí)他部件减轻、电池优化的情况下,把带宽压(yā)缩,不要把图(tú)像完全无失真的去传输,才能保证距离与(yǔ)功耗相对(duì)的平衡。当然,这个(gè)就是要根(gēn)据研发的水平(píng)来了,拿大疆(jiāng)举例(lì),无人机需要30分(fèn)钟续航,那么(me)电池就确定(dìng)了,体重也确定了,发射功耗确定了,要提高距离就要优化无(wú)线(xiàn)传输的技术(shù),目前那些技术是用(yòng)在无人机图传方面的技(jì)术(shù)呢?

无人(rén)机图传技术

先用形象的方式介绍几个(gè)名(míng)词(学通讯相关的(de)同学可以跳过这一部分):

信道(dào):通(tōng)信系统中传输的通道,好比是高架桥。

信源:信源是(shì)产(chǎn)生(shēng)各类信息的实体,好(hǎo)比是载满水泥的大卡车。

编码:好比是(shì)快递(dì)与打包,为了传输过程(chéng)中(zhōng)有无损(sǔn)坏。

扩频:是一种信(xìn)息处(chù)理改善传输性能的技术(shù),好(hǎo)比是八(bā)路,隐蔽性高、抗干扰能力强(qiáng)。

调制:好比是新(xīn)的交通工(gōng)具(jù),减少传(chuán)递(dì)步骤。

具体来(lái)说,图传就是(shì)要把一个东西准(zhǔn)确、快(kuài)速的从一(yī)个地方传(chuán)递到(dào)另(lìng)一个地(dì)方(fāng),要抗干(gàn)扰,还要抓重点。所以信(xìn)源和信道就要改善,关于信道(dào)技术就是抓重点的基础(chǔ),比如目前常见的MPEG-2MPEG-4等技术,简(jiǎn)单地说就是把图片的重点压(yā)缩(suō),抓(zhuā)住重点传输。信道编码就是(shì)为了减少码(mǎ)元(yuán)数率(lǜ),减少带宽占用(yòng),因为传输跟(gēn)带(dài)宽(kuān)有关系,抓住重点可以避免浪(làng)费(fèi)功率。

目前无人(rén)机图传主流的技术由OFDMWiFi等。

OFDM

在(zài)技术上,目(mù)前很多无人(rén)机喜欢用的(de)传输(shū)技术为OFDM,是多载(zǎi)波调制的一种(zhǒng),该(gāi)技术更适合(hé)于高速数据的传(chuán)输,OFDM有(yǒu)很多优势,比如在(zài)窄(zhǎi)带带宽下也能(néng)够发出大量的数据、能够对抗(kàng)频率选(xuǎn)择性衰落(luò)或窄带干(gàn)扰等等。

但是(shì),OFDM也有(yǒu)缺点(diǎn):

载波频(pín)率偏移(yí)

对相位噪声和(hé)载波频(pín)偏十分(fèn)敏感

峰均比比较高

所以把(bǎ)这三个缺陷瓶颈(jǐng)解决(jué)掉(diào)才是(shì)完美的技术。

WIFI

除了(le)OFDM之外,很多厂家也都在使用(yòng)WiFi技(jì)术,可(kě)能WiFi说出来让人(rén)感觉很低端,其实(shí)不是这样的,WiFi技(jì)术也在不停(tíng)的进步(bù)。

WiFi传输是具有高性(xìng)价比(bǐ)的无人(rén)机(jī)图传使用最广泛的技(jì)术(shù),但是因为WiFi在技术上有很(hěn)多限定,且(qiě)不可修改的(de),并(bìng)且很多厂家都是拿来方案直接搭(dā)建,所以其缺点也(yě)十分突出:比(bǐ)如(rú)芯片设计成什么格(gé)式(shì)就是什么格式(shì)的,无法修改,技术比(bǐ)较固化;干扰管理(lǐ)策略实时性不强(qiáng);信道利用率比较低等等。

另外WiFi传输还(hái)有跟物理层的衔接不紧密的缺点,导致反应不迅速,传输时延(yán)较大(dà),最多有秒级的时延。

在(zài)FPV模式下更需要低时延才(cái)行

说到时(shí)延(yán),端到端的时延主要有以下几个方面(miàn):

高(gāo)层组(zǔ)包时延

高(gāo)层到物理层的时(shí)延

时(shí)隙资源分配机(jī)制导致(zhì)的时延

传播的时延

物理层处理时延,解调解(jiě)码(mǎ)等(děng)

高层处(chù)理时延

这两种图传方式应该是目前无人机图传的主流。

其实总体来说,无人机(jī)远距离传输(shū)其实就是距离(lí)和功耗(hào)之(zhī)间的平衡(héng),其中还涉及了很多调制技(jì)术(shù),比如用(yòng)扩频(pín)来提高抗(kàng)干扰能力、信道(dào)信源技术的优化等等。

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