近年來(lái)無人(rén)機作爲專業工具、娛樂(yuè)和(hé)空中運動比賽變得(de)日益流行。無人(rén)機是 UAV(無人(rén)駕駛飛(fēi)行器)的(de)通(tōng)稱，包括許多(duō)類型的(de)無人(rén)駕駛遙控飛(fēi)行器，其中有固定翼飛(fēi)機、直升機和(hé)多(duō)旋翼飛(fēi)機等。

    專業無人(rén)機應用(yòng)範圍日漸廣泛，體育賽事期間的(de)航空攝影(yǐng)不必依賴昂貴的(de)全尺寸直升機，房(fáng)地産經紀人(rén)也(yě)經常使用(yòng)無人(rén)機進行記錄。無人(rén)機還(hái)可(kě)以發現失蹤人(rén)員(yuán)，并可(kě)以監測面臨污染風險的(de)栖息地。電力公司正在通(tōng)過無人(rén)機檢查高(gāo)壓線路，避免了(le)昂貴的(de)停電和(hé)危險的(de)人(rén)工攀登。即使是像鐵路公司這(zhè)樣的(de)保守行業也(yě)在考慮使用(yòng)無人(rén)機來(lái)檢查訪問受限區(qū)域的(de)軌道情況。也(yě)有快(kuài)遞公司計劃通(tōng)過無人(rén)機運送小包裹。

一、無人(rén)機操作技術

    無人(rén)機可(kě)以通(tōng)過兩種不同的(de)方式進行駕駛;一種是通(tōng)過目視觀察無人(rén)機的(de)視線，另一種是通(tōng)過第一人(rén)稱視角(FPV)。在FPV系統中是利用(yòng)機載攝像機的(de)視頻(pín)圖像，通(tōng)過無線電以屏幕或視頻(pín)護目鏡的(de)形式傳輸到地面個(gè)人(rén)視頻(pín)顯示器。

二、視頻(pín)傳輸無線技術

    Wi-Fi可(kě)用(yòng)于相當短的(de)距離的(de)信号傳輸。Wi-Fi信号的(de)範圍可(kě)以從300米到 2000米不等，具體取決于設備和(hé)條件。傳輸範圍會因多(duō)種因素而有所不同：

發射器功率，天線越大(dà)，信号輻射越遠(yuǎn)，衰減越小;

天線，按電源Whip(或電線)、Chip、PCB或外部(通(tōng)過U.FL或RPSMA 接器)的(de)升序排列;

使用(yòng)頻(pín)率,通(tōng)常頻(pín)率越低，信号可(kě)以傳播越遠(yuǎn)。

環境，周邊樹木(mù)、建築物(wù)、直接視線、大(dà)氣條件等都會對(duì)Wi-Fi信号範圍産生負面影(yǐng)響。

頻(pín)段，首選5GHz Wifi網絡，該頻(pín)段在市區(qū)的(de)幹擾較小。其他(tā)頻(pín)段特性如下(xià)：

2.1 低于1GHz頻(pín)段

常見的(de)解決方案來(lái)自那些飛(fēi)行FPV(第一人(rén)稱視角)的(de)人(rén)，他(tā)們使用(yòng)連接到900 MHz的(de)簡單模拟攝像機。使用(yòng)帶有苜蓿葉天線(一種普通(tōng)天線類型)的(de)1W 900MHz發射器和(hé)指向您的(de)飛(fēi)行器的(de)18dB增益的(de)貼片天線，可(kě)以輕松獲得(de)5英裏以上的(de)站點線。這(zhè)取決于一個(gè)人(rén)想要操作的(de)區(qū)域以及使用(yòng)此類應用(yòng)程序的(de)頻(pín)段可(kě)用(yòng)性。

2.2 3G/4G頻(pín)段

你可(kě)以使用(yòng)無人(rén)機附帶的(de)3G/4G加密狗，進行高(gāo)數據速率的(de)無線傳輸。該解決方案可(kě)根據該運營區(qū)域的(de)3G/4G網絡可(kě)用(yòng)性來(lái)使用(yòng)。

2.3 定制解決方案

    集成射頻(pín)收發器不僅廣泛用(yòng)于蜂窩電話(huà)基站的(de)軟件定義無線電(SDR)1架構，例如多(duō)服務分(fēn)布式接入系統(MDAS)和(hé)小型蜂窩，而且還(hái)用(yòng)于工業、商業和(hé)小型蜂窩的(de)無線高(gāo)清視頻(pín)傳輸。軍事應用(yòng)，例如無人(rén)機(UAV)。你可(kě)以使用(yòng)射頻(pín)收發器系列AD9361/AD9363并根據其頻(pín)譜可(kě)用(yòng)性制造合适的(de)硬件，因爲這(zhè)些收發器的(de)帶寬高(gāo)達6GHz。一個(gè)基帶側合适的(de)FPGA可(kě)用(yòng)于數字處理(lǐ)。

三、無線視頻(pín)傳輸挑戰

    無線視頻(pín)鏈接的(de)範圍受到許多(duō)因素的(de)限制。當距離增加時(shí)路徑損耗本身會削弱信号，而視線中的(de)障礙物(wù)會産生額外的(de)衰減。在自然環境中無線鏈路存在一些不确定的(de)挑戰，需要給出有效的(de)解決方案。其中以下(xià)兩方面是主要問題：

3.1 幹擾

    自然環境中的(de)其他(tā)無線傳輸源可(kě)能會幹擾無人(rén)機視頻(pín)傳輸信号。如果幹擾信号出現在與無線視頻(pín)鏈路相同的(de)頻(pín)帶中，它将充當帶内噪聲。這(zhè)将會降低信噪比，導緻視頻(pín)圖像嘈雜(zá)，鏈接範圍有限。典型的(de)幹擾源可(kě)能是該區(qū)域内另一架無人(rén)機的(de)視頻(pín)發射器、附近的(de)WiFi熱(rè)點或手機。通(tōng)過選擇一個(gè)頻(pín)率盡可(kě)能遠(yuǎn)離幹擾源的(de)頻(pín)道或移動視頻(pín)接收器和(hé)天線，可(kě)以将問題最小化(huà)。如果幹擾源強大(dà)，但在無線鏈路的(de)頻(pín)帶之外則稱爲阻塞器。阻塞信号可(kě)以穿透不充分(fēn)的(de)前端通(tōng)道濾波，并降低低噪聲放大(dà)器(LNA)的(de)動态。

3.2 反射引起的(de)多(duō)徑衰落

    即使有一個(gè)強大(dà)的(de)、無噪聲的(de)信号，無線鏈路也(yě)可(kě)能會突然中斷，尤其是在雜(zá)亂或城(chéng)市環境中。這(zhè)可(kě)能是由于反射傳播路徑抵消了(le)直接傳播路徑。由于與不同傳播延遲相關的(de)相移而發生抵消。這(zhè)發生在接收空間的(de)特定點，隻需将天線移動不到一個(gè)波長(cháng)即可(kě)消失。除了(le)信号消除之外，多(duō)徑傳播還(hái)會導緻符号延遲擴展。來(lái)自不同路徑的(de)符号在不同時(shí)間到達，如果延遲很大(dà)，則會導緻誤碼。

圖2.反射引起的(de)多(duō)徑衰落

四、克服挑戰

4.1 射頻(pín)頻(pín)率切換

    2.4 GHz頻(pín)率被廣泛用(yòng)于Wi-Fi、Bluetooth和(hé)IoT短距離通(tōng)信，使其越來(lái)越擁擠。将其用(yòng)于無線視頻(pín)傳輸和(hé)控制信号會增加信号幹擾和(hé)不穩定的(de)機會。這(zhè)對(duì)無人(rén)機造成了(le)不良且經常是危險的(de)情況。使用(yòng)頻(pín)率切換來(lái)保持幹淨的(de)頻(pín)率将使數據和(hé)控制連接更加可(kě)靠。當發射器感應到擁擠的(de)頻(pín)率時(shí)，它會自動切換到另一個(gè)頻(pín)段。例如使用(yòng)該頻(pín)率并在附近運行的(de)兩架無人(rén)機将幹擾彼此的(de)通(tōng)信。自動切換LO頻(pín)率并重新選擇頻(pín)段将有助于保持穩定的(de)無線鏈路。在上電期間自适應選擇載波頻(pín)率或信道是高(gāo)端無人(rén)機的(de)優秀特性之一。

4.2 跳頻(pín)

    廣泛用(yòng)于電子對(duì)抗(ECM)的(de)快(kuài)速跳頻(pín)也(yě)有助于避免幹擾。通(tōng)常如果我們想要跳頻(pín)，PLL需要在程序結束後重新鎖定。這(zhè)包括寫入頻(pín)率寄存器，并經過VCO校準時(shí)間和(hé)PLL鎖定時(shí)間，使跳躍頻(pín)率的(de)間隔接近幾十微秒。

圖3.跳頻(pín)方案示意圖

4.3 PHY層OFDM調制

    正交頻(pín)分(fēn)複用(yòng)(OFDM)是一種信号調制形式，它将高(gāo)數據速率調制流劃分(fēn)到許多(duō)緩慢(màn)調制的(de)窄帶近距離子載波上。這(zhè)使得(de)它對(duì)選擇性頻(pín)率衰落不太敏感。缺點是峰均功率比高(gāo)以及對(duì)載波偏移和(hé)漂移的(de)敏感性。OFDM廣泛應用(yòng)于寬帶無線通(tōng)信PHY層。

4.4 5G與WIFI技術

    用(yòng)于FPV無人(rén)機的(de)無線視頻(pín)仍是不成熟的(de)技術，我們将在不久的(de)将來(lái)看到緊湊和(hé)低成本的(de)高(gāo)清FPV系統。降低成本的(de)關鍵是提高(gāo)片上系統的(de)集成度和(hé)由此産生的(de)高(gāo)産量。當全新的(de)收音(yīn)機、相機或顯示器概念出現時(shí)，範式轉變就會發生。稱爲5G的(de)下(xià)一代蜂窩和(hé)WiFi技術将利用(yòng)動态波束成形來(lái)增加系統增益并保持低幹擾。與更複雜(zá)的(de)MIMO一起，這(zhè)将進一步提高(gāo)性能和(hé)傳輸帶寬。當技術成熟時(shí)，這(zhè)些概念很可(kě)能會應用(yòng)于未來(lái)的(de)FPV系統。這(zhè)将帶來(lái)更高(gāo)的(de)性能、更大(dà)的(de)範圍、更高(gāo)的(de)圖像質量和(hé)更好的(de)可(kě)靠性。它将使無人(rén)機能夠應對(duì)我們目前面臨的(de)更多(duō)挑戰，以及我們尚未想到的(de)挑戰。