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无(wú)人机如何实现超(chāo)远距离图传(chuán)

 

无线传输途(tú)径和特点

途径

实(shí)现超远距离有很多选择,可以(yǐ)是有线的,也(yě)可以(yǐ)是无线(xiàn)的。在一般(bān)情况下,肯定是有线(xiàn)传(chuán)输(shū)更加的远,上万公里(lǐ)传(chuán)输(shū)都是可以的。拿语(yǔ)音传输来说,当面对(duì)话靠声波传输,虽(suī)然声波传输距离很(hěn)短,但是不借助高科技手段也是可以(yǐ)的。而图像(xiàng)的(de)话就必须要通(tōng)过现代通讯手段才行(háng),比如光纤。

电磁波(bō)的频率(lǜ)

提到现代通讯手段,就要讲到电磁(cí)波频率,通常来说,电磁波(bō)频率越(yuè)低传(chuán)播越远。比如军事活动所需要的保密通讯电(diàn)话的传输,就属于超短波频率(lǜ),传输(shū)比较远,地面通(tōng)讯一般使用这种(zhǒng)频率(对讲(jiǎng)机等)。而一(yī)些需要中(zhōng)继传递的通(tōng)讯方式(通(tōng)过中(zhōng)继塔台等)用(yòng)的是短波,短波(bō)就比超短(duǎn)波频率更低,能传(chuán)播的更(gèng)远,几百(bǎi)公里上(shàng)千公(gōng)里都是可以的,比如(rú)VOA的电台用的就是短波(bō)频(pín)率。

远距离传输(shū)肯定(dìng)是数据量越窄传(chuán)播的越(yuè)远(yuǎn),发射功率越大灵敏度越(yuè)高(gāo),由此就涉及到了(le)功率的问(wèn)题。

功率

想要(yào)超远距离发射信息,功(gōng)率越大发(fā)射越远(yuǎn)。像那些架在高的地方(fāng)的电视(shì)塔(tǎ)都是功率几千瓦甚至上万瓦的(de)。举个简单的例(lì)子,比如(rú)广播通(tōng)过(guò)塔台发射之后(hòu),很(hěn)大面积地区(qū)都(dōu)能收(shōu)到广播,这(zhè)个功率肯(kěn)定小不了,电视(shì)工作者如(rú)果暴露(lù)在发(fā)射设备下那么对身体的伤(shāng)害是非常大(dà)的(de)。

综上,各种运营商的设备同(tóng)理,他们加大基站或者塔(tǎ)台的功(gōng)率,都是为了传的更远。

带宽

带宽(kuān)语音一般来说(shuō)都是3K左右,因(yīn)为(wéi)普(pǔ)通人说话3K就够了,如(rú)果能(néng)够压缩的话几百K就够了,所以语(yǔ)音的传输(shū)带宽(kuān)是非常小的。而现在无人机(jī)的带(dài)宽都是以M起步(bù),这对远距(jù)离传输的挑战就(jiù)大了很多。传输距离取决(jué)于灵敏度,根(gēn)据香(xiāng)农(nóng)公式,带(dài)宽增加十倍,灵敏度就下降十(shí)倍,所(suǒ)以带宽对于(yú)无线传输来说是很珍(zhēn)贵的(de)。

图(tú)像传(chuán)输的(de)特点

图像传输跟(gēn)普通(tōng)信号传输相比(bǐ)特点(diǎn)还是比较鲜(xiān)明的(de):

1、图像传输的特点是(shì)数据量太(tài)大了。TXT等文件通常都是几K起步,而(ér)图(tú)像(xiàng)数据量就大得多,比(bǐ)如(rú)iphoness随意(yì)照张照片就要几M了(le),所以需(xū)要的带宽要很高(gāo)。

2、图像传输不能(néng)有时延,跟大家看电影一样,有(yǒu)卡顿就不(bú)能忍受了,此外,我们看电(diàn)影,高清图像就(jiù)很爽,模糊(hú)就受(shòu)不了。

综上,无人机传输的特(tè)点(diǎn)就是,数据(jù)量大,延迟(chí)要求要低。这都是(shì)无线(xiàn)传输最难管控的地方。

无人机超远距离传输的要求(qiú)

上(shàng)文说过,图像传输(shū)的特(tè)点是(shì)图像(xiàng)质量要求高(gāo),实时画面监控延迟要低,除(chú)了(le)这两点外还有一些问题:

因为无(wú)人机(jī)是便携设备,所以它的功率(lǜ)不(bú)可(kě)能非常的大(dà),所以传输功耗要(yào)小,但是功耗(hào)小与距离远就(jiù)是矛盾的。

另外,无(wú)人机传输要抗干扰能力强,因为无人机经常要在(zài)人群密集或(huò)者有电磁干扰等环境复(fù)杂的情况下进行工作,这样难免传(chuán)输会受(shòu)到外界(jiè)影(yǐng)响,这也是个(gè)问题(tí)。

世界上对(duì)无人机传输也有(yǒu)相应的标准,这(zhè)些标准也(yě)对无人机传输有(yǒu)了一些限(xiàn)制(zhì)。

传(chuán)得远首先要过功(gōng)耗功(gōng)率这一关。世界上对无人机有功(gōng)耗标准的规定,比如欧洲要过CE,美国要(yào)过FCC,无人(rén)机标准涉及无线通讯方面(miàn)就是EMC电池(chí)兼容(róng)方面的要求、功(gōng)耗和(hé)发射功率不(bú)能超(chāo)过多少等等。比如大疆(jiāng)精灵4CE要求是20 、FCC要求23,最(zuì)新(xīn)的产(chǎn)品御(yù)CE要求23、FCC要求(qiú)26,这些都给(gěi)无(wú)人机的传输进行(háng)了限(xiàn)制。  

除了这些要求还有电(diàn)池(chí)的发展局限性(xìng),这个是个传输以外的问(wèn)题,在这里就不多谈了。

综上,无(wú)人机远距离传输的要求,总(zǒng)结来说(shuō)就是:质量要高,功(gōng)率要低,抗干扰能(néng)力(lì)要强,传输距离要(yào)远,国家法律法规的限制以(yǐ)及电池技(jì)术的发(fā)展。

距离与(yǔ)功耗的(de)平衡(héng)

说了这么多要求,就要讲一(yī)下,无人机远(yuǎn)距(jù)离传(chuán)输(shū)最重要的一点,也(yě)就是(shì)距(jù)离与功耗的(de)平衡。

根据香农公式(shì),距离和带宽有(yǒu)关系,距(jù)离(lí)远带宽就要窄,之所以(yǐ)限(xiàn)制很多飞行设备都(dōu)在用一些快要淘汰的(de)调制技术(比如飞机要调幅(fú)波),就是需要平衡传输距(jù)离和功耗之(zhī)间的关(guān)系(xì)。

我需要传得(dé)远,那么功率就(jiù)要大(dà),但是政策上有规定(dìng)功率功耗(hào)不能大(dà),唯一可以(yǐ)改善的就是信道信源相关的技术,也就是(shì)无限通(tōng)讯最重要的(de)技术。

在(zài)同样(yàng)的功耗(hào)、其他(tā)部件减轻(qīng)、电池(chí)优化的情况下,把带宽压缩(suō),不(bú)要把图像完全无失真的去传输,才能(néng)保证距离与功耗(hào)相对的平衡。当然(rán),这(zhè)个(gè)就(jiù)是要根据(jù)研(yán)发的水(shuǐ)平来了,拿(ná)大(dà)疆举例,无人(rén)机需要30分(fèn)钟续航,那么电池(chí)就确定了,体重也确定了,发射功耗确定了,要提高(gāo)距离就要优化无(wú)线传输(shū)的(de)技术(shù),目前那(nà)些(xiē)技术是用在(zài)无人机图传方面的技术呢?

无(wú)人机图传技术(shù)

先用形象的方式介绍几(jǐ)个名词(学通讯相关的(de)同学可以跳过(guò)这一部分):

信道:通信系统中传输的通道,好比是高架桥。

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

编(biān)码(mǎ):好比(bǐ)是快递与打包,为了传输过程中有无损坏。

扩频:是一种(zhǒng)信息处理改善传输性能的(de)技术,好(hǎo)比是八(bā)路,隐(yǐn)蔽性高、抗干(gàn)扰(rǎo)能力强。

调制(zhì):好比是新的交通工具,减(jiǎn)少传递步骤。

具体来(lái)说,图传就(jiù)是要把(bǎ)一个东西准确、快速的从一个地方传递到(dào)另一个地方,要抗干扰,还(hái)要抓重点(diǎn)。所以信源和信道就要改善,关(guān)于信道技术就是抓重点(diǎn)的(de)基础,比如目前常见的MPEG-2、MPEG-4等技术,简单(dān)地(dì)说就是(shì)把(bǎ)图片的重点压缩,抓住重点传输。信道(dào)编码就是为了减少码元数率,减少带宽占用,因为传(chuán)输跟带宽有关系,抓住重点(diǎn)可以避免浪费(fèi)功率。

目前无人机图传主流的技术由OFDM、WiFi等。

OFDM

在技术上(shàng),目前很多无人机喜欢用的传输(shū)技术(shù)为OFDM,是多载波调制的一(yī)种,该技术更适合(hé)于高速数据的传输,OFDM有很多(duō)优势,比如在窄带带宽下(xià)也能(néng)够发出(chū)大(dà)量(liàng)的数据、能够对抗频(pín)率(lǜ)选择性衰落或窄带(dài)干扰等等。

但(dàn)是,OFDM也有缺点:

载波频率偏移

对相位噪声(shēng)和载波频偏十分敏感(gǎn)

峰(fēng)均比(bǐ)比较(jiào)高(gāo)

所以把这三个缺陷(xiàn)瓶颈解决掉才是完美的技术。

WIFI

除了OFDM之外,很(hěn)多厂(chǎng)家也都在(zài)使用WiFi技术,可能WiFi说出来让(ràng)人感觉很低(dī)端(duān),其实不是(shì)这样的,WiFi技术也在不停的进步。

WiFi传输是具有高性价比(bǐ)的无人机图(tú)传使(shǐ)用(yòng)最(zuì)广泛的技术(shù),但是因为WiFi在技术(shù)上有很多限定(dìng),且(qiě)不(bú)可(kě)修改的,并且很多厂家都(dōu)是(shì)拿来方(fāng)案(àn)直(zhí)接搭建,所以(yǐ)其缺点也(yě)十分突出:比如芯片设计成什么(me)格式就是什么格式的,无法修改,技术比(bǐ)较固(gù)化;干扰管理策略实时性不强;信道利用率比较低等(děng)等(děng)。

另外WiFi传输还有跟物理层的衔接不紧密的缺(quē)点,导致反应不迅(xùn)速,传输时延较大,最多有秒级的时延。

FPV模(mó)式下更需要低时延才(cái)行(háng)

说(shuō)到(dào)时延,端(duān)到端的时(shí)延主要有以下几个(gè)方面:

高(gāo)层组包时延

高(gāo)层到物理层的(de)时延(yán)

时隙资(zī)源分(fèn)配机制导致的时(shí)延

传播的时延

物理层处理时延,解调解码等

高层处理时延

这两种图(tú)传方式应该(gāi)是目(mù)前无人(rén)机图传的主流。

其实总体(tǐ)来说,无(wú)人机(jī)远距离传输其实就(jiù)是距(jù)离和功耗之间(jiān)的平衡,其中还涉及了很多调(diào)制技术(shù),比如用扩频来提高(gāo)抗干扰能力、信道(dào)信源(yuán)技(jì)术的优(yōu)化等等。

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