近年來(lái)無人(rén)機作(zuò)為(wèi)專業工具、娛樂和(hé)空(kōng)中運動比賽變得(de)日益流行(xíng)。無人(rén)機是 UAV(無人(rén)駕駛飛行(xíng)器(qì))的通(tōng)稱，包括許多(duō)類型的無人(rén)駕駛遙控飛行(xíng)器(qì)，其中有(yǒu)固定翼飛機、直升機和(hé)多(duō)旋翼飛機等。
專業無人(rén)機應用範圍日漸廣泛，體(tǐ)育賽事期間(jiān)的航空(kōng)攝影(yǐng)不必依賴昂貴的全尺寸直升機，房(fáng)地産經紀人(rén)也經常使用無人(rén)機進行(xíng)記錄。無人(rén)機還(hái)可(kě)以發現失蹤人(rén)員，并可(kě)以監測面臨污染風險的栖息地。電(diàn)力公司正在通(tōng)過無人(rén)機檢查高(gāo)壓線路，避免了昂貴的停電(diàn)和(hé)危險的人(rén)工攀登。即使是像鐵(tiě)路公司這樣的保守行(xíng)業也在考慮使用無人(rén)機來(lái)檢查訪問受限區(qū)域的軌道(dào)情況。也有(yǒu)快遞公司計(jì)劃通(tōng)過無人(rén)機運送小(xiǎo)包裹。
一、無人(rén)機操作(zuò)技(jì)術(shù)
無人(rén)機可(kě)以通(tōng)過兩種不同的方式進行(xíng)駕駛;一種是通(tōng)過目視(shì)觀察無人(rén)機的視(shì)線，另一種是通(tōng)過第一人(rén)稱視(shì)角(FPV)。在FPV系統中是利用機載攝像機的視(shì)頻圖像，通(tōng)過無線電(diàn)以屏幕或視(shì)頻護目鏡的形式傳輸到地面個(gè)人(rén)視(shì)頻顯示器(qì)。
二、視(shì)頻傳輸無線技(jì)術(shù)
Wi-Fi可(kě)用于相當短(duǎn)的距離的信号傳輸。Wi-Fi信号的範圍可(kě)以從300米到 2000米不等，具體(tǐ)取決于設備和(hé)條件。傳輸範圍會(huì)因多(duō)種因素而有(yǒu)所不同：
發射器(qì)功率，天線越大(dà)，信号輻射越遠，衰減越小(xiǎo);
天線，按電(diàn)源Whip(或電(diàn)線)、Chip、PCB或外部(通(tōng)過U.FL或RPSMA 接器(qì))的升序排列;
使用頻率,通(tōng)常頻率越低(dī)，信号可(kě)以傳播越遠。
環境，周邊樹(shù)木、建築物、直接視(shì)線、大(dà)氣條件等都會(huì)對Wi-Fi信号範圍産生(shēng)負面影(yǐng)響。
頻段，首選5GHz Wifi網絡，該頻段在市區(qū)的幹擾較小(xiǎo)。其他頻段特性如下：
2.1 低(dī)于1GHz頻段
常見的解決方案來(lái)自那(nà)些(xiē)飛行(xíng)FPV(第一人(rén)稱視(shì)角)的人(rén)，他們使用連接到900 MHz的簡單模拟攝像機。使用帶有(yǒu)苜蓿葉天線(一種普通(tōng)天線類型)的1W 900MHz發射器(qì)和(hé)指向您的飛行(xíng)器(qì)的18dB增益的貼片天線，可(kě)以輕松獲得(de)5英裏以上(shàng)的站(zhàn)點線。這取決于一個(gè)人(rén)想要操作(zuò)的區(qū)域以及使用此類應用程序的頻段可(kě)用性。
2.2 3G/4G頻段
你(nǐ)可(kě)以使用無人(rén)機附帶的3G/4G加密狗，進行(xíng)高(gāo)數(shù)據速率的無線傳輸。該解決方案可(kě)根據該運營區(qū)域的3G/4G網絡可(kě)用性來(lái)使用。
2.3 定制(zhì)解決方案
集成射頻收發器(qì)不僅廣泛用于蜂窩電(diàn)話(huà)基站(zhàn)的軟件定義無線電(diàn)(SDR)1架構，例如多(duō)服務分布式接入系統(MDAS)和(hé)小(xiǎo)型蜂窩，而且還(hái)用于工業、商業和(hé)小(xiǎo)型蜂窩的無線高(gāo)清視(shì)頻傳輸。軍事應用，例如無人(rén)機(UAV)。你(nǐ)可(kě)以使用射頻收發器(qì)系列AD9361/AD9363并根據其頻譜可(kě)用性制(zhì)造合适的硬件，因為(wèi)這些(xiē)收發器(qì)的帶寬高(gāo)達6GHz。一個(gè)基帶側合适的FPGA可(kě)用于數(shù)字處理(lǐ)。
三、無線視(shì)頻傳輸挑戰
無線視(shì)頻鏈接的範圍受到許多(duō)因素的限制(zhì)。當距離增加時(shí)路徑損耗本身會(huì)削弱信号，而視(shì)線中的障礙物會(huì)産生(shēng)額外的衰減。在自然環境中無線鏈路存在一些(xiē)不确定的挑戰，需要給出有(yǒu)效的解決方案。其中以下兩方面是主要問題：
3.1 幹擾
自然環境中的其他無線傳輸源可(kě)能會(huì)幹擾無人(rén)機視(shì)頻傳輸信号。如果幹擾信号出現在與無線視(shì)頻鏈路相同的頻帶中，它将充當帶內(nèi)噪聲。這将會(huì)降低(dī)信噪比，導緻視(shì)頻圖像嘈雜，鏈接範圍有(yǒu)限。典型的幹擾源可(kě)能是該區(qū)域內(nèi)另一架無人(rén)機的視(shì)頻發射器(qì)、附近的WiFi熱點或手機。通(tōng)過選擇一個(gè)頻率盡可(kě)能遠離幹擾源的頻道(dào)或移動視(shì)頻接收器(qì)和(hé)天線，可(kě)以将問題最小(xiǎo)化。如果幹擾源強大(dà)，但(dàn)在無線鏈路的頻帶之外則稱為(wèi)阻塞器(qì)。阻塞信号可(kě)以穿透不充分的前端通(tōng)道(dào)濾波，并降低(dī)低(dī)噪聲放大(dà)器(qì)(LNA)的動态。
3.2 反射引起的多(duō)徑衰落
即使有(yǒu)一個(gè)強大(dà)的、無噪聲的信号，無線鏈路也可(kě)能會(huì)突然中斷，尤其是在雜亂或城市環境中。這可(kě)能是由于反射傳播路徑抵消了直接傳播路徑。由于與不同傳播延遲相關的相移而發生(shēng)抵消。這發生(shēng)在接收空(kōng)間(jiān)的特定點，隻需将天線移動不到一個(gè)波長即可(kě)消失。除了信号消除之外，多(duō)徑傳播還(hái)會(huì)導緻符号延遲擴展。來(lái)自不同路徑的符号在不同時(shí)間(jiān)到達，如果延遲很(hěn)大(dà)，則會(huì)導緻誤碼。
圖2.反射引起的多(duō)徑衰落
四、克服挑戰
4.1 射頻頻率切換
2.4 GHz頻率被廣泛用于Wi-Fi、Bluetooth和(hé)IoT短(duǎn)距離通(tōng)信，使其越來(lái)越擁擠。将其用于無線視(shì)頻傳輸和(hé)控制(zhì)信号會(huì)增加信号幹擾和(hé)不穩定的機會(huì)。這對無人(rén)機造成了不良且經常是危險的情況。使用頻率切換來(lái)保持幹淨的頻率将使數(shù)據和(hé)控制(zhì)連接更加可(kě)靠。當發射器(qì)感應到擁擠的頻率時(shí)，它會(huì)自動切換到另一個(gè)頻段。例如使用該頻率并在附近運行(xíng)的兩架無人(rén)機将幹擾彼此的通(tōng)信。自動切換LO頻率并重新選擇頻段将有(yǒu)助于保持穩定的無線鏈路。在上(shàng)電(diàn)期間(jiān)自适應選擇載波頻率或信道(dào)是高(gāo)端無人(rén)機的優秀特性之一。
4.2 跳(tiào)頻
廣泛用于電(diàn)子對抗(ECM)的快速跳(tiào)頻也有(yǒu)助于避免幹擾。通(tōng)常如果我們想要跳(tiào)頻，PLL需要在程序結束後重新鎖定。這包括寫入頻率寄存器(qì)，并經過VCO校(xiào)準時(shí)間(jiān)和(hé)PLL鎖定時(shí)間(jiān)，使跳(tiào)躍頻率的間(jiān)隔接近幾十微秒(miǎo)。
圖3.跳(tiào)頻方案示意圖
4.3 PHY層OFDM調制(zhì)
正交頻分複用(OFDM)是一種信号調制(zhì)形式，它将高(gāo)數(shù)據速率調制(zhì)流劃分到許多(duō)緩慢調制(zhì)的窄帶近距離子載波上(shàng)。這使得(de)它對選擇性頻率衰落不太敏感。缺點是峰均功率比高(gāo)以及對載波偏移和(hé)漂移的敏感性。OFDM廣泛應用于寬帶無線通(tōng)信PHY層。
4.4 5G與WIFI技(jì)術(shù)
用于FPV無人(rén)機的無線視(shì)頻仍是不成熟的技(jì)術(shù)，我們将在不久的将來(lái)看到緊湊和(hé)低(dī)成本的高(gāo)清FPV系統。降低(dī)成本的關鍵是提高(gāo)片上(shàng)系統的集成度和(hé)由此産生(shēng)的高(gāo)産量。當全新的收音(yīn)機、相機或顯示器(qì)概念出現時(shí)，範式轉變就會(huì)發生(shēng)。稱為(wèi)5G的下一代蜂窩和(hé)WiFi技(jì)術(shù)将利用動态波束成形來(lái)增加系統增益并保持低(dī)幹擾。與更複雜的MIMO一起，這将進一步提高(gāo)性能和(hé)傳輸帶寬。當技(jì)術(shù)成熟時(shí)，這些(xiē)概念很(hěn)可(kě)能會(huì)應用于未來(lái)的FPV系統。這将帶來(lái)更高(gāo)的性能、更大(dà)的範圍、更高(gāo)的圖像質量和(hé)更好的可(kě)靠性。它将使無人(rén)機能夠應對我們目前面臨的更多(duō)挑戰，以及我們尚未想到的挑戰。
