2016年是中國無人機市場的元年，無人機能夠一躍進入大眾視野，并迅速在大眾市場火熱發(fā)展，是很多人始料未及的。從剛開始的空中攝錄，到后來的實時攝錄，方便圖傳功能無疑為無人機加足了籌碼，賺足了眼球。而在工業(yè)領(lǐng)域，無人機更是能夠確保在絕大多數(shù)需要遠(yuǎn)離現(xiàn)場的任務(wù)場合下，實時、可靠的觀察或獲取現(xiàn)場圖像及視頻，在絕對安全的情況下節(jié)省了大量的觀測成本。

到目前為止，無人機在多個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)為民生、科研、商業(yè)等眾多行業(yè)帶來了極大的便利，而無人機能夠完成這些工作，離不開它的無線圖傳系統(tǒng)。如果說飛控被稱為無人機的大腦，那么圖傳系統(tǒng)就可以比做無人機的“眼睛”。由此，圖傳系統(tǒng)在無人機行業(yè)應(yīng)用中所扮演的角色也不言而喻。無人機圖傳系統(tǒng)，尤其是高質(zhì)量的圖傳系統(tǒng)在行業(yè)無人機的應(yīng)用中扮演著極為重要的角色，是不可或缺的。然而想達到高質(zhì)量卻也是非常難的，因為無人機遠(yuǎn)距離傳輸具有大數(shù)據(jù)量和低延遲的硬性指標(biāo)，使得距離與功耗的平衡非常難以實現(xiàn)。

基于正交頻分多路復(fù)用技術(shù)打造無線圖傳“高速公路”

基于OFDM技術(shù)的傳輸方案多個維度優(yōu)于Wi-Fi

正常情況下，信號需要傳得遠(yuǎn)，那么功率就要大，但大功率信號的發(fā)射受限于國家政策，因此唯一可以改善的就只有信道信源相關(guān)技術(shù)。在同樣的功耗、其他部件減輕、電池優(yōu)化的情況下，把帶寬壓縮，不要把圖像完全無失真的去傳輸，才能保證距離與功耗相對的平衡。在這一方面，目前大部分廠家都在使用Wi-Fi技術(shù)。配備Wi-Fi的無人飛行器可以很容易地連接到手機、筆記本電腦和其他移動設(shè)備，因此使用起來非常方便?？梢哉fWi-Fi傳輸是具有高性價比的無人機圖傳使用最廣泛的技術(shù)，但是因為Wi-Fi在技術(shù)上有很多限定且不可修改，很多廠家都是拿來方案直接搭建，所以其缺點也十分突出：比如芯片設(shè)計成什么格式就是什么格式的，無法修改，技術(shù)比較固化；干擾管理策略實時性不強；信道利用率比較低等等。另外Wi-Fi傳輸還有跟物理層的銜接不緊密的缺點，導(dǎo)致反應(yīng)不迅速，傳輸時延較大，最多有高達秒級的時延。

正交頻分多路復(fù)用 （OFDM） 是一種信號調(diào)制技術(shù)，廣泛應(yīng)用于寬帶無線電通信物理層，可將高數(shù)據(jù)速率調(diào)制流劃分到多個緩慢調(diào)制的窄帶密集的子載波上。因此，信號不易受到選擇性頻率衰減的影響，在許多高端無人機型號中作為無人圖傳技術(shù)（如大疆的7公里圖傳技術(shù)）的核心已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。本文將以ADI公司的集成式射頻 （RF） 捷變收發(fā)器IC AD9361/AD9364為例，剖析以O(shè)FDM傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的SDR架構(gòu)實現(xiàn)寬帶無線視頻信號鏈的過程。

AD936x是ADI公司推出的高性能、高度集成的RF Agile Transceiver捷變收發(fā)器系列，是面向軟件定義無線電應(yīng)用的革命性解決方案。旨在支持多種可編程無線電應(yīng)用，支持廣泛的調(diào)制方案和網(wǎng)絡(luò)規(guī)范（如國防電子、儀器設(shè)備、通信基礎(chǔ)設(shè)施等）。適用于像無人機圖傳這樣的點對點通信系統(tǒng)、毫微微蜂窩/微微蜂窩/微蜂窩基站，以及通用無線電系統(tǒng)。通信應(yīng)用中，AD936x可有效簡化設(shè)計、降低功耗，減少占用面積，大幅縮短產(chǎn)品上市時間。

多維度看基于AD9361/9364的高清無線視頻傳輸方案

· 信號鏈

下圖所示為采用AD9361/AD9364和BBIC的簡化無線視頻傳輸方案。攝像機捕捉到影像，并通過以太網(wǎng)、HDMI?、USB或其他接口將視頻數(shù)據(jù)發(fā)送至基帶處理器。圖像編碼/解碼可通過硬件或FPGA處理。RF前端包括RF開關(guān)以及連接到可編程集成式收發(fā)器的LNA和PA。

無線視頻傳輸示意圖

通過改變采樣速率、數(shù)字濾波器和抽取參數(shù)，AD9361/AD9364可支持的通道帶寬范圍為低于200 kHz到56 MHz。AD9361/AD9364為零中頻收發(fā)器，同時具有用來發(fā)射復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的I通道和Q通道。

· 傳輸距離和發(fā)射器功率

在無人飛行器等應(yīng)用中，最大傳輸距離是一個關(guān)鍵參數(shù)。但是，保持通信不中止同樣很重要，即使距離較小時也是如此。氧氣、水和其他障礙物（自由空間衰減除外）可能會使信號衰減。

下圖顯示了無線通信通道損耗的模型。

無線通信通道損耗模型

為了使發(fā)射器保持在線狀態(tài)，并使視頻格式保持同一視頻數(shù)據(jù)速率，則基帶應(yīng)使用低階調(diào)制，其代價是增加帶寬。這樣有助于確保接收到的圖像清晰不模糊。幸運的是，我們可通過具有數(shù)字調(diào)制和解調(diào)功能的軟件定義無線電來改變調(diào)制方式。此外，載波頻率也會對傳輸距離產(chǎn)生影響。當(dāng)波在空間中傳播時，會發(fā)生散射損耗。在相等的自由空間距離上，頻率越高，損耗越大。例如，相較于2.4 GHz，載波頻率為5.8 GHz時在相同傳輸距離上的衰減將超過7.66 dB。

· RF頻率和頻率切換

AD9361/AD9364輸出覆蓋70 MHz至6 GHz的可編程頻率范圍。這將能滿足大多數(shù)NLOS頻率應(yīng)用，包括不同類型的特許執(zhí)照和免執(zhí)照頻段，比如1.4 GHz、2.4 GHz和5.8 GHz。

2.4 GHz頻段已廣泛用于Wi-Fi、Bluetooth?以及物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 短程通信，因此變得越來越擁擠。該頻段用于無線視頻傳輸和控制信號將會增大信號干擾的幾率和不穩(wěn)定性。從而導(dǎo)致無人飛行器陷入不良情況，這些情況往往十分危險。使用頻率切換技術(shù)保持干凈的頻率通道，將確保數(shù)據(jù)和控制連接更可靠。當(dāng)發(fā)射器覺察到擁擠頻率時，它會自動切換到其他頻帶。例如，兩架同時使用相同頻率并且近距離工作的無人飛行器將會相互干擾對方的通信。自動切換LO頻率并重新選擇頻帶將有助于維持穩(wěn)定的無線鏈路。在上電期間自適應(yīng)選擇載波頻率或通道是高端無人飛行器的一個杰出特性。

· 跳頻

廣泛應(yīng)用于電子對抗 （ECM） 的快速跳頻技術(shù)也有助于避免干擾。下圖顯示了跳頻發(fā)射器的LO頻率從816.69 MHz跳變至802.03 MHz的例子。AD9361用于正常頻率變化模式，發(fā)射器RF輸出頻率從814.69 MHz跳變至800.03 MHz，參考頻率為10 MHz。

頻率從804.5 MHz跳變至802 MHz，歷時500 μs

500 μs對于跳頻應(yīng)用來說是一段很長的時間間隔。不過，AD9361/ AD9364支持一種快速鎖定模式，通過將合成器編程信息集（稱為配置文件）存入器件寄存器或基帶處理器的存儲空間，可使該過程比正常頻率變化更快。

在快速鎖定模式下，頻率在20 μs內(nèi)從882 MHz跳變至802 MHz。

結(jié)論

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、電力線檢查及監(jiān)督等工商業(yè)應(yīng)用中，無人機的穩(wěn)定、安全和可靠的視頻傳輸是成功的關(guān)鍵。憑借捷變頻段切換和快速跳頻技術(shù)，AD9361/ AD9364可建立一個更穩(wěn)定、可靠的無線鏈路，以對抗空間中日益復(fù)雜的輻射環(huán)境并減小墜落幾率。在協(xié)議層，該解決方案使用單向傳輸以縮減無線鏈路的建立時間并實現(xiàn)低延遲連接，因此更靈活。

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