近年來(lái)無人機作(zuò)爲專業工(gōng)具、娛樂和(hé)空(kōng)中運動比賽變得日益流行。無人機是 UAV(無人駕駛飛(fēi)行器)的通稱，包括許多類型的無人駕駛遙控飛(fēi)行器，其中有固定翼飛(fēi)機、直升機和(hé)多旋翼飛(fēi)機等。
專業無人機應用(yòng)範圍日漸廣泛，體育賽事(shì)期間的航空(kōng)攝影不必依賴昂貴的全尺寸直升機，房地産經紀人也(yě)經常使用(yòng)無人機進行記錄。無人機還可以發現(xiàn)失蹤人員，并可以監測面臨污染風(fēng)險的栖息地。電力公司正在通過無人機檢查高(gāo)壓線路，避免了(le)昂貴的停電和(hé)危險的人工(gōng)攀登。即使是像鐵(tiě)路公司這(zhè)樣的保守行業也(yě)在考慮使用(yòng)無人機來(lái)檢查訪問受限區(qū)域的軌道(dào)情況。也(yě)有快(kuài)遞公司計(jì)劃通過無人機運送小(xiǎo)包裹。
一、無人機操作(zuò)技術
無人機可以通過兩種不同的方式進行駕駛;一種是通過目視(shì)觀察無人機的視(shì)線，另一種是通過第一人稱視(shì)角(FPV)。在FPV系統中是利用(yòng)機載攝像機的視(shì)頻圖像，通過無線電以屏幕或視(shì)頻護目鏡的形式傳輸到(dào)地面個人視(shì)頻顯示器。
二、視(shì)頻傳輸無線技術
Wi-Fi可用(yòng)于相當短的距離的信号傳輸。Wi-Fi信号的範圍可以從(cóng)300米到(dào) 2000米不等，具體取決于設備和(hé)條件。傳輸範圍會(huì)因多種因素而有所不同：
發射器功率，天線越大(dà)，信号輻射越遠，衰減越小(xiǎo);
天線，按電源Whip(或電線)、Chip、PCB或外(wài)部(通過U.FL或RPSMA 接器)的升序排列;
使用(yòng)頻率,通常頻率越低(dī)，信号可以傳播越遠。
環境，周邊樹木(mù)、建築物、直接視(shì)線、大(dà)氣條件等都會(huì)對(duì)Wi-Fi信号範圍産生負面影響。
頻段，首選5GHz Wifi網絡，該頻段在市區(qū)的幹擾較小(xiǎo)。其他(tā)頻段特性如下(xià)：
2.1 低(dī)于1GHz頻段
常見的解決方案來(lái)自(zì)那些(xiē)飛(fēi)行FPV(第一人稱視(shì)角)的人，他(tā)們使用(yòng)連接到(dào)900 MHz的簡單模拟攝像機。使用(yòng)帶有苜蓿葉天線(一種普通天線類型)的1W 900MHz發射器和(hé)指向您的飛(fēi)行器的18dB增益的貼片天線，可以輕松獲得5英裏以上(shàng)的站(zhàn)點線。這(zhè)取決于一個人想要操作(zuò)的區(qū)域以及使用(yòng)此類應用(yòng)程序的頻段可用(yòng)性。
2.2 3G/4G頻段
你(nǐ)可以使用(yòng)無人機附帶的3G/4G加密狗，進行高(gāo)數據速率的無線傳輸。該解決方案可根據該運營區(qū)域的3G/4G網絡可用(yòng)性來(lái)使用(yòng)。
2.3 定制解決方案
集成射頻收發器不僅廣泛用(yòng)于蜂窩電話(huà)基站(zhàn)的軟件定義無線電(SDR)1架構，例如多服務分布式接入系統(MDAS)和(hé)小(xiǎo)型蜂窩，而且還用(yòng)于工(gōng)業、商業和(hé)小(xiǎo)型蜂窩的無線高(gāo)清視(shì)頻傳輸。軍事(shì)應用(yòng)，例如無人機(UAV)。你(nǐ)可以使用(yòng)射頻收發器系列AD9361/AD9363并根據其頻譜可用(yòng)性制造合适的硬件，因爲這(zhè)些(xiē)收發器的帶寬高(gāo)達6GHz。一個基帶側合适的FPGA可用(yòng)于數字處理(lǐ)。
三、無線視(shì)頻傳輸挑戰
無線視(shì)頻鏈接的範圍受到(dào)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(shì)線中的障礙物會(huì)産生額外(wài)的衰減。在自(zì)然環境中無線鏈路存在一些(xiē)不确定的挑戰，需要給出有效的解決方案。其中以下(xià)兩方面是主要問題：
3.1 幹擾
自(zì)然環境中的其他(tā)無線傳輸源可能(néng)會(huì)幹擾無人機視(shì)頻傳輸信号。如果幹擾信号出現(xiàn)在與無線視(shì)頻鏈路相同的頻帶中，它将充當帶内噪聲。這(zhè)将會(huì)降低(dī)信噪比，導緻視(shì)頻圖像嘈雜(zá)，鏈接範圍有限。典型的幹擾源可能(néng)是該區(qū)域内另一架無人機的視(shì)頻發射器、附近的WiFi熱點或手機。通過選擇一個頻率盡可能(néng)遠離幹擾源的頻道(dào)或移動視(shì)頻接收器和(hé)天線，可以将問題最小(xiǎo)化。如果幹擾源強大(dà)，但(dàn)在無線鏈路的頻帶之外(wài)則稱爲阻塞器。阻塞信号可以穿透不充分的前端通道(dào)濾波，并降低(dī)低(dī)噪聲放(fàng)大(dà)器(LNA)的動态。
3.2 反射引起的多徑衰落
即使有一個強大(dà)的、無噪聲的信号，無線鏈路也(yě)可能(néng)會(huì)突然中斷，尤其是在雜(zá)亂或城(chéng)市環境中。這(zhè)可能(néng)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相移而發生抵消。這(zhè)發生在接收空(kōng)間的特定點，隻需将天線移動不到(dào)一個波長即可消失。除了(le)信号消除之外(wài)，多徑傳播還會(huì)導緻符号延遲擴展。來(lái)自(zì)不同路徑的符号在不同時(shí)間到(dào)達，如果延遲很(hěn)大(dà)，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(yòng)于Wi-Fi、Bluetooth和(hé)IoT短距離通信，使其越來(lái)越擁擠。将其用(yòng)于無線視(shì)頻傳輸和(hé)控制信号會(huì)增加信号幹擾和(hé)不穩定的機會(huì)。這(zhè)對(duì)無人機造成了(le)不良且經常是危險的情況。使用(yòng)頻率切換來(lái)保持幹淨的頻率将使數據和(hé)控制連接更加可靠。當發射器感應到(dào)擁擠的頻率時(shí)，它會(huì)自(zì)動切換到(dào)另一個頻段。例如使用(yòng)該頻率并在附近運行的兩架無人機将幹擾彼此的通信。自(zì)動切換LO頻率并重新選擇頻段将有助于保持穩定的無線鏈路。在上(shàng)電期間自(zì)适應選擇載波頻率或信道(dào)是高(gāo)端無人機的優秀特性之一。
4.2 跳頻
廣泛用(yòng)于電子對(duì)抗(ECM)的快(kuài)速跳頻也(yě)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(zhè)包括寫入頻率寄存器，并經過VCO校準時(shí)間和(hé)PLL鎖定時(shí)間，使跳躍頻率的間隔接近幾十微秒。
圖3.跳頻方案示意圖
4.3 PHY層OFDM調制
正交頻分複用(yòng)(OFDM)是一種信号調制形式，它将高(gāo)數據速率調制流劃分到(dào)許多緩慢調制的窄帶近距離子載波上(shàng)。這(zhè)使得它對(duì)選擇性頻率衰落不太敏感。缺點是峰均功率比高(gāo)以及對(duì)載波偏移和(hé)漂移的敏感性。OFDM廣泛應用(yòng)于寬帶無線通信PHY層。
4.4 5G與WIFI技術
用(yòng)于FPV無人機的無線視(shì)頻仍是不成熟的技術，我們将在不久的将來(lái)看(kàn)到(dào)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)由此産生的高(gāo)産量。當全新的收音(yīn)機、相機或顯示器概念出現(xiàn)時(shí)，範式轉變就會(huì)發生。稱爲5G的下(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(dī)幹擾。與更複雜(zá)的MIMO一起，這(zhè)将進一步提高(gāo)性能(néng)和(hé)傳輸帶寬。當技術成熟時(shí)，這(zhè)些(xiē)概念很(hěn)可能(néng)會(huì)應用(yòng)于未來(lái)的FPV系統。這(zhè)将帶來(lái)更高(gāo)的性能(néng)、更大(dà)的範圍、更高(gāo)的圖像質量和(hé)更好(hǎo)的可靠性。它将使無人機能(néng)夠應對(duì)我們目前面臨的更多挑戰，以及我們尚未想到(dào)的挑戰。
