无线传输途径和特点
途径(jìng)
实现(xiàn)超远(yuǎn)距离有很多选(xuǎn)择,可以是有线的(de),也可以(yǐ)是无线的。在一般情况下,肯定是有线传输更加的远,上万(wàn)公里传输(shū)都是可以的。拿语(yǔ)音传输来说,当面对话靠声波(bō)传输,虽(suī)然声波(bō)传输距(jù)离很短(duǎn),但是不借助高(gāo)科(kē)技(jì)手段也(yě)是(shì)可以的(de)。而图像的(de)话(huà)就必须要通(tōng)过现代通(tōng)讯手段才行,比如(rú)光纤。
电磁波的频率
提到(dào)现(xiàn)代通(tōng)讯手段,就要讲到电磁波频(pín)率,通(tōng)常来说,电(diàn)磁波频率(lǜ)越低传播越远。比(bǐ)如军事活动所需要的保密通(tōng)讯(xùn)电(diàn)话的传输,就属于超短波频率,传输比较远,地面通讯(xùn)一般(bān)使用这种频率(对讲机等)。而一(yī)些需要(yào)中继(jì)传递的通讯方式(通(tōng)过(guò)中继塔台等)用的是短波,短波就比超短波(bō)频(pín)率更低,能(néng)传播的更远,几百(bǎi)公里上千公里都是可以的(de),比如VOA的电台用的就是(shì)短波频率。
远距离传输肯定是数据量越窄传播的越远(yuǎn),发射功率越大灵敏(mǐn)度越高,由此就涉及(jí)到了功率(lǜ)的问题。
功率
想(xiǎng)要(yào)超远距离发射信息,功率越大发射越(yuè)远。像那些架在高(gāo)的地方(fāng)的电视塔都是功率(lǜ)几千瓦甚至上(shàng)万瓦的。举个简(jiǎn)单的例(lì)子(zǐ),比如(rú)广播(bō)通过塔台发射之后,很(hěn)大面积(jī)地区都(dōu)能收到广播,这个(gè)功率肯(kěn)定小不(bú)了,电视(shì)工作者如果暴露在(zài)发射(shè)设(shè)备(bèi)下那么对身体的(de)伤害是非常大(dà)的。
综上(shàng),各种运营商的设备(bèi)同理,他(tā)们加(jiā)大基站或者(zhě)塔(tǎ)台的功率,都是为了传(chuán)的(de)更(gèng)远。
带宽
带宽语音一(yī)般来说都是3K左右,因为普通人说(shuō)话3K就够了(le),如果能(néng)够压缩的话(huà)几百K就够(gòu)了(le),所以语音的传输带宽是非常小的。而现在无人机的带宽都是以M起步,这对(duì)远距离传输的挑战就大了很多。传输距(jù)离取(qǔ)决于灵敏度(dù),根据香农公式,带宽增加十倍,灵(líng)敏度就下降十倍,所以带宽对于无线传输来说是很珍贵的(de)。
图像(xiàng)传输的特点
图像传输跟普通信号传(chuán)输相(xiàng)比特点还是比较鲜明的(de):
1、图像传输的特点是(shì)数据(jù)量太大了(le)。TXT等文件通常都是(shì)几K起步(bù),而图像数据量就大得多,比如iphoness随意照张(zhāng)照片就要几M了,所(suǒ)以需要的带(dài)宽要很高。
2、图像传输不能有时延,跟大(dà)家(jiā)看(kàn)电影一样(yàng),有(yǒu)卡顿就不能(néng)忍(rěn)受了,此外(wài),我们看电影,高清图(tú)像就很爽,模糊就(jiù)受不了。
综上,无人机传输的特点就是,数据量大,延(yán)迟(chí)要求要低。这都是无(wú)线传(chuán)输最难(nán)管控的地方。
无人机超远距离传输的(de)要求(qiú)
上文说(shuō)过,图像(xiàng)传输的特点是图像质量要求高,实时(shí)画(huà)面监控延迟要低(dī),除了(le)这两点外还有一些问题:
因(yīn)为无人机是便携设备,所以它的功(gōng)率(lǜ)不可能非常的(de)大,所(suǒ)以传输功耗要(yào)小,但是功耗(hào)小与距离远就是矛盾的。
另外,无(wú)人机传输要抗干(gàn)扰(rǎo)能力强,因为无人机经常要在(zài)人(rén)群密集或(huò)者(zhě)有(yǒu)电磁干扰等环境复杂的(de)情况下进行工作,这(zhè)样难免传(chuán)输会受到外界影(yǐng)响,这也是个问题。
世界上对无人机传输也有相应(yīng)的标准,这(zhè)些标准也对(duì)无人机传输有了一(yī)些限制。
传得(dé)远(yuǎn)首(shǒu)先要过功耗功率这一关。世界上(shàng)对无人机有功耗(hào)标准的规定,比如欧(ōu)洲(zhōu)要过CE,美国要过FCC,无人机标准(zhǔn)涉及无线通讯方面就是EMC电池兼容方面(miàn)的要求、功耗和(hé)发射功率不能超过多少等等。比如大疆精灵4的CE要求是20 、FCC要求23,最新的产品御CE要求23、FCC要(yào)求26,这些都给无人机的传输进(jìn)行了限制。
除了这些(xiē)要求还有电池的发展局(jú)限性,这个是个传(chuán)输(shū)以外的问题,在(zài)这里就(jiù)不(bú)多谈了。
综(zōng)上,无人机(jī)远距离传输的要求(qiú),总(zǒng)结(jié)来(lái)说就是(shì):质量(liàng)要高,功(gōng)率要低(dī),抗干扰能力要强,传输距离要远,国家法律法规的限制(zhì)以及电池技术(shù)的(de)发展。
距离与功耗的平衡
说了(le)这么多要求,就要讲一下,无人机远距(jù)离(lí)传输最重要(yào)的一点,也(yě)就是(shì)距离(lí)与功耗的平衡(héng)。
根据香农公式(shì),距(jù)离和带(dài)宽有关(guān)系,距离远带宽就要(yào)窄,之所以限制很多飞行设(shè)备都(dōu)在用一些快要淘汰的(de)调制技(jì)术(shù)(比如飞机要调幅波),就(jiù)是需要平衡传输(shū)距离和功耗(hào)之间的关系(xì)。
我需要传得远,那么功率就(jiù)要大,但是政(zhèng)策上有规定功率功耗不能大,唯一可以改善的(de)就是信(xìn)道(dào)信源相关的(de)技术,也就是无限通(tōng)讯最重要的技术。
在同样的功耗、其他部(bù)件减轻、电池优(yōu)化的(de)情况下,把带宽压缩,不要(yào)把(bǎ)图像完全无失真的去(qù)传输,才能保(bǎo)证距离与功耗相对的平衡(héng)。当(dāng)然,这(zhè)个就是要根(gēn)据(jù)研发的水平来了,拿大疆举例,无人机需(xū)要30分钟续(xù)航,那么(me)电池就确定了,体重也确定了,发射功耗确定了,要(yào)提(tí)高距离就要优化无线传输(shū)的(de)技术,目前那些技术是用在无人(rén)机(jī)图传方面的技术呢?
无人机图传(chuán)技术(shù)
先用形象的方式介绍几个名词(学通讯相(xiàng)关的同学可以跳过这一部分):
信(xìn)道:通信系统中传输的通道,好比是高架桥。
信源:信源是产生各类(lèi)信息的实体,好比是载满水泥(ní)的大卡车。
编码:好(hǎo)比是快递与打包,为了传输过程中有(yǒu)无损坏。
扩频:是一种(zhǒng)信息处(chù)理改善(shàn)传输性能的技(jì)术,好比是八路,隐蔽(bì)性高、抗(kàng)干扰能力强。
调(diào)制:好比是新的(de)交通工具(jù),减少传递步骤(zhòu)。
具体(tǐ)来(lái)说,图传就是要(yào)把一个东(dōng)西准确(què)、快速(sù)的从一个地方传递到另一个地(dì)方,要(yào)抗干扰,还要抓重点。所以(yǐ)信源和信道就要改善(shàn),关于信(xìn)道技术就是(shì)抓(zhuā)重点的(de)基础(chǔ),比如目(mù)前常见的MPEG-2、MPEG-4等技术(shù),简单地说就(jiù)是(shì)把图片的重点压缩,抓住(zhù)重点传输。信道编码就是为了减少码元数率,减少(shǎo)带宽占用,因为(wéi)传输(shū)跟带宽有关(guān)系,抓住重点可以(yǐ)避(bì)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(shù)上,目前很(hěn)多无人机(jī)喜欢用的传(chuán)输技(jì)术为OFDM,是(shì)多载波调制的一种,该技术更适合于高速数据的(de)传输,OFDM有很多优势(shì),比如在窄带带(dài)宽(kuān)下也能够发出(chū)大量的数据(jù)、能够对抗频(pín)率选择性(xìng)衰落或窄带干(gàn)扰(rǎo)等等。
但(dàn)是,OFDM也有缺点:
载波频率偏移
对相位(wèi)噪声和载波频偏十分敏感
峰均比(bǐ)比较高
所以把这三个缺陷瓶颈(jǐng)解决掉才是完美的技术。
WIFI
除(chú)了OFDM之外,很多厂(chǎng)家(jiā)也都(dōu)在使用WiFi技术,可能WiFi说出来让人感觉很低端,其实不是这样的,WiFi技术也在不停的进步。
WiFi传输是(shì)具有高性价(jià)比的无人机图传使用最广泛的技术(shù),但是因(yīn)为WiFi在技术上有很多限定,且不(bú)可修改的,并(bìng)且很多厂家都是(shì)拿来方案直接(jiē)搭建,所以(yǐ)其缺点(diǎn)也十分突出:比如芯片设计(jì)成什么(me)格式就是什么格式的,无(wú)法修改,技术比较固化(huà);干扰管理策略实时性不强;信道利用率比较低等等。
另外WiFi传输还有跟(gēn)物理层的衔接(jiē)不紧密的(de)缺点,导致反应不迅(xùn)速,传(chuán)输时延较大(dà),最多有秒级(jí)的时(shí)延。
在FPV模式下更需要低时延才行
说到时延,端到端(duān)的时延主要有(yǒu)以下几个方面(miàn):
高层组包时延
高层(céng)到物(wù)理(lǐ)层的时延
时隙(xì)资(zī)源分配机制导(dǎo)致的时延
传播的时延
物理(lǐ)层处理(lǐ)时延,解调解码等
高层处理时延(yán)
这(zhè)两种图传(chuán)方(fāng)式应该是目前无人机图传的主流(liú)。
其实总体来(lái)说,无人机远距离传输(shū)其实就是距(jù)离和功(gōng)耗之间的平衡(héng),其中还涉及了很多(duō)调制技(jì)术(shù),比如用扩(kuò)频来(lái)提高抗干扰能力、信道信源技术的(de)优化等等。

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