近年來(lái)無(wú)人機作爲專(zhuān)業(yè)工具、娛樂和空中運動(dòng)比賽變得日益流行。無(wú)人機是 UAV(無(wú)人駕駛飛行器)的通稱，包括許多類(lèi)型的無(wú)人駕駛遙控飛行器，其中有固定翼飛機、直升機和多旋翼飛機等。

    專(zhuān)業(yè)無(wú)人機應用範圍日漸廣泛，體育賽事期簡(jiǎn)的航空攝影不必依賴昂貴的全尺寸直升機，房地產(chǎn)經(jīng)紀人也經(jīng)常使用無(wú)人機進(jìn)行記錄。無(wú)人機還可以發(fā)現失蹤人員，并可以監測面臨污染風(fēng)險的栖息地。電力公司正在通過(guò)無(wú)人機檢查高壓線(xiàn)路，避免了昂貴的停電和危險的人工攀登。即使是像鐵路公司這樣的保守行業(yè)也在考慮使用無(wú)人機來(lái)檢查訪(fǎng)問(wèn)受限區域的軌道情況。也有快遞公司計劃通過(guò)無(wú)人機運送小包裹。

一、無(wú)人機操作技術

    無(wú)人機可以通過(guò)兩種不同的方式進(jìn)行駕駛;一種是通過(guò)目視觀察無(wú)人機的視線(xiàn)，另一種是通過(guò)第一人稱視角(FPV)。在FPV系統中是利用機載攝像機的視頻圖像，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電以屏幕或視頻護目鏡的形式傳輸到地面個(gè)人視頻顯示器。

二、視頻傳輸無(wú)線(xiàn)技術

    Wi-Fi可用于相當短的距離的信号傳輸。Wi-Fi信号的範圍可以從300米到 2000米不等，具體取決于設備和條件。傳輸範圍會(huì)因多種因素而有所不同：

發(fā)射器功率，天線(xiàn)越大，信号輻射越遠，衰減越小;

天線(xiàn)，按電源Whip(或電線(xiàn))、Chip、PCB或外部(通過(guò)U.FL或RPSMA 接器)的升序排列;

使用頻率,通常頻率越低，信号可以傳播越遠。

環(huán)境，周邊樹木、建築物、直接視線(xiàn)、大氣條件等都會(huì)對Wi-Fi信号範圍產(chǎn)生負面影響。

頻段，首選5GHz Wifi網(wǎng)絡，該頻段在市區的幹擾較小。其他頻段特性如下：

2.1 低于1GHz頻段

常見(jiàn)的解決方案來(lái)自那些飛行FPV(第一人稱視角)的人，他們使用連接到900 MHz的簡(jiǎn)單模拟攝像機。使用帶有苜蓿葉天線(xiàn)(一種普通天線(xiàn)類(lèi)型)的1W 900MHz發(fā)射器和指向您的飛行器的18dB增益的貼片天線(xiàn)，可以輕松獲得5英裏以上的站點線(xiàn)。這取決于一個(gè)人想要操作的區域以及使用此類(lèi)應用程序的頻段可用性。

2.2 3G/4G頻段

你可以使用無(wú)人機附帶的3G/4G加密狗，進(jìn)行高數據速率的無(wú)線(xiàn)傳輸。該解決方案可根據該運營(yíng)區域的3G/4G網(wǎng)絡可用性來(lái)使用。

2.3 定制解決方案

    集成射頻收發(fā)器不僅廣泛用于蜂窩電話(huà)基站的軟件定義無(wú)線(xiàn)電(SDR)1架構，例如多服務(wù)分布式接入系統(MDAS)和小型蜂窩，而且還用于工業(yè)、商業(yè)和小型蜂窩的無(wú)線(xiàn)高清視頻傳輸。軍事應用，例如無(wú)人機(UAV)。你可以使用射頻收發(fā)器系列AD9361/AD9363并根據其頻譜可用性制造合适的硬件，因爲這些收發(fā)器的帶寬高達6GHz。一個(gè)基帶側合适的FPGA可用于數字處理。

三、無(wú)線(xiàn)視頻傳輸挑戰

    無(wú)線(xiàn)視頻鏈接的範圍受到許多因素的限制。當距離增加時(shí)路徑損耗本身會(huì)削弱信号，而視線(xiàn)中的障礙物會(huì)產(chǎn)生額外的衰減。在自然環(huán)境中無(wú)線(xiàn)鏈路存在一些不确定的挑戰，需要給出有效的解決方案。其中以下兩方面是主要問(wèn)題：

3.1 幹擾

    自然環(huán)境中的其他無(wú)線(xiàn)傳輸源可能會(huì)幹擾無(wú)人機視頻傳輸信号。如果幹擾信号出現在與無(wú)線(xiàn)視頻鏈路相同的頻帶中，它将充當帶内噪聲。這将會(huì)降低信噪比，導緻視頻圖像嘈雜，鏈接範圍有限。典型的幹擾源可能是該區域内另一架無(wú)人機的視頻發(fā)射器、附近的WiFi熱點或手機。通過(guò)選擇一個(gè)頻率盡可能遠離幹擾源的頻道或移動(dòng)視頻接收器和天線(xiàn)，可以将問(wèn)題最小化。如果幹擾源強大，但在無(wú)線(xiàn)鏈路的頻帶之外則稱爲阻塞器。阻塞信号可以穿透不充分的前端通道濾波，并降低低噪聲放大器(LNA)的動(dòng)态。

3.2 反射引起的多徑衰落

    即使有一個(gè)強大的、無(wú)噪聲的信号，無(wú)線(xiàn)鏈路也可能會(huì)突然中斷，尤其是在雜亂或城市環(huán)境中。這可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(fā)生抵消。這發(fā)生在接收空簡(jiǎn)的特定點，隻需将天線(xiàn)移動(dòng)不到一個(gè)波長(cháng)即可消失。除了信号消除之外，多徑傳播還會(huì)導緻符号延遲擴展。來(lái)自不同路徑的符号在不同時(shí)簡(jiǎn)到達，如果延遲很大，則會(huì)導緻誤碼。

圖2.反射引起的多徑衰落

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IoT短距離通信，使其越來(lái)越擁擠。将其用于無(wú)線(xiàn)視頻傳輸和控制信号會(huì)增加信号幹擾和不穩定的機會(huì)。這對無(wú)人機造成了不良且經(jīng)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據和控制連接更加可靠。當發(fā)射器感應到擁擠的頻率時(shí)，它會(huì)自動(dòng)切換到另一個(gè)頻段。例如使用該頻率并在附近運行的兩架無(wú)人機将幹擾彼此的通信。自動(dòng)切換LO頻率并重新選擇頻段将有助于保持穩定的無(wú)線(xiàn)鏈路。在上電期簡(jiǎn)自适應選擇載波頻率或信道是高端無(wú)人機的優秀特性之一。

4.2 跳頻

    廣泛用于電子對抗(ECM)的快速跳頻也有助于避免幹擾。通常如果我們想要跳頻，PLL需要在程序結束後重新鎖定。這包括寫入頻率寄存器，并經(jīng)過(guò)VCO校準時(shí)簡(jiǎn)和PLL鎖定時(shí)簡(jiǎn)，使跳躍頻率的簡(jiǎn)隔接近幾十微秒。

圖3.跳頻方案示意圖

4.3 PHY層OFDM調制

    正交頻分複用(OFDM)是一種信号調制形式，它将高數據速率調制流劃分到許多緩慢調制的窄帶近距離子載波上。這使得它對選擇性頻率衰落不太敏感。缺點是峰均功率比高以及對載波偏移和漂移的敏感性。OFDM廣泛應用于寬帶無(wú)線(xiàn)通信PHY層。

4.4 5G與WIFI技術

    用于FPV無(wú)人機的無(wú)線(xiàn)視頻仍是不成熟的技術，我們将在不久的将來(lái)看到緊湊和低成本的高清FPV系統。降低成本的關鍵是提高片上系統的集成度和由此產(chǎn)生的高產(chǎn)量。當全新的收音機、相機或顯示器概念出現時(shí)，範式轉變就會(huì)發(fā)生。稱爲5G的下一代蜂窩和WiFi技術将利用動(dòng)态波束成形來(lái)增加系統增益并保持低幹擾。與更複雜的MIMO一起，這将進(jìn)一步提高性能和傳輸帶寬。當技術成熟時(shí)，這些概念很可能會(huì)應用于未來(lái)的FPV系統。這将帶來(lái)更高的性能、更大的範圍、更高的圖像質(zhì)量和更好的可靠性。它将使無(wú)人機能夠應對我們目前面臨的更多挑戰，以及我們尚未想到的挑戰。