大疆新品Mavic的“7公里图传”让人睁大了眼,惊讶之余人们都对无人机远距离图传产生了兴趣,无人机想要做超远距离图传究竟需要什么样的技术呢?图传的距离和功耗在无人机上如何进行平衡?技术实现上有什么样的难度?为了解决这些问题,我们邀请了上海大楚电子创始人兼CEO、上海后洪电子创始人汪东为我们讲述“无人机图传的那些事”。以下是汪东的演讲摘编。

无线传输途径和特点

途径

实现超远距离有很多选择,可以是有线的,也可以是无线的。在一般情况下,肯定是有线传输更加的远,上万公里传输都是可以的。拿语音传输来说,当面对话靠声波传输,虽然声波传输距离很短,但是不借助高科技手段也是可以的(比如我们上学时候学的“纸杯电话”)。而图像的话就必须要通过现代通讯手段才行,比如光纤。

电磁波的频率

提到现代通讯手段,就要讲到电磁波频率,通常来说,电磁波频率越低传播越远。比如军事活动所需要的保密通讯电话的传输,就属于超短波频率,传输比较远,地面通讯一般使用这种频率(对讲机等)。而一些需要中继传递的通讯方式(通过中继塔台等)用的是短波,短波就比超短波频率更低,能传播的更远,几百公里上千公里都是可以的,比如VOA的电台用的就是短波频率。

远距离传输肯定是数据量越窄传播的越远,发射功率越大灵敏度越高,由此就涉及到了功率的问题。

功率

想要超远距离发射信息,功率越大发射越远。像那些架在高的地方的电视塔都是功率几千瓦甚至上万瓦的。举个简单的例子,比如广播通过塔台发射之后,很大面积地区都能收到广播,这个功率肯定小不了,电视工作者如果暴露在发射设备下那么对身体的伤害是非常大的。

2016101100002 北京广播电视塔

综上,各种运营商的设备同理,他们加大基站或者塔台的功率,都是为了传的更远。

带宽

带宽语音一般来说都是3K左右,因为普通人说话3K就够了,如果能够压缩的话几百K就够了,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,这对远距离传输的挑战就大了很多。传输距离取决于灵敏度,根据香农公式,带宽增加十倍,灵敏度就下降十倍,所以带宽对于无线传输来说是很珍贵的。

图像传输的特点

图像传输跟普通信号传输相比特点还是比较鲜明的:

1、图像传输的特点是数据量太大了。TXT等文件通常都是几K起步,而图像数据量就大得多,比如iPhone随意照张照片就要几M了,所以需要的带宽要很高。

2、图像传输不能有时延,跟大家看电影一样,有卡顿就不能忍受了,此外,我们看电影,高清图像就很爽,模糊就受不了。

综上,无人机传输的特点就是,数据量大,延迟要求要低。这都是无线传输最难管控的地方。

无人机超远距离传输的要求

上文说过,图像传输的特点是图像质量要求高,实时画面监控延迟要低,除了这两点外还有一些问题:

因为无人机是便携设备,所以它的功率不可能非常的大,所以传输功耗要小,但是功耗小与距离远就是矛盾的。

另外,无人机传输要抗干扰能力强,因为无人机经常要在人群密集或者有电磁干扰等环境复杂的情况下进行工作,这样难免传输会受到外界影响,这也是个问题。

世界上对无人机传输也有相应的标准,这些标准也对无人机传输有了一些限制。

传得远首先要过功耗功率这一关。世界上对无人机有功耗标准的规定,比如欧洲要过CE,美国要过FCC,无人机标准涉及无线通讯方面就是EMC电池兼容方面的要求、功耗和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要求26,这些都给无人机的传输进行了限制。  

除了这些要求还有电池的发展局限性,这个是个传输以外的问题,在这里就不多谈了。

2016101100003 大疆精灵4

综上,无人机远距离传输的要求,总结来说就是:质量要高,功率要低,抗干扰能力要强,传输距离要远,国家法律法规的限制以及电池技术的发展。

距离与功耗的平衡

说了这么多要求,就要讲一下,无人机远距离传输最重要的一点,也就是距离与功耗的平衡。

根据香农公式,距离和带宽有关系,距离远带宽就要窄,之所以限制很多飞行设备都在用一些快要淘汰的调制技术(比如飞机要调幅波),就是需要平衡传输距离和功耗之间的关系。

我需要传得远,那么功率就要大,但是政策上有规定功率功耗不能大,唯一可以改善的就是信道信源相关的技术,也就是无限通讯最重要的技术。

在同样的功耗、其他部件减轻、电池优化的情况下,把带宽压缩,不要把图像完全无失真的去传输,才能保证距离与功耗相对的平衡。当然,这个就是要根据研发的水平来了,拿大疆举例,无人机需要30分钟续航,那么电池就确定了,体重也确定了,发射功耗确定了,要提高距离就要优化无线传输的技术,目前那些技术是用在无人机图传方面的技术呢?

2016101100004 Mavic实时图传

无人机图传技术

先用形象的方式介绍几个名词(学通讯相关的同学可以跳过这一部分):

信道:通信系统中传输的通道,好比是高架桥。

信源:信源是产生各类信息的实体,好比是载满水泥的大卡车。

编码:好比是快递与打包,为了传输过程中有无损坏。

扩频:是一种信息处理改善传输性能的技术,好比是八路,隐蔽性高、抗干扰能力强。

调制:好比是新的交通工具,减少传递步骤。

具体来说,图传就是要把一个东西准确、快速的从一个地方传递到另一个地方,要抗干扰,还要抓重点。所以信源和信道就要改善,关于信道技术就是抓重点的基础,比如目前常见的MPEG-2、MPEG-4等技术,简单地说就是把图片的重点压缩,抓住重点传输。信道编码就是为了减少码元数率,减少带宽占用,因为传输跟带宽有关系,抓住重点可以避免浪费功率。

目前无人机图传主流的技术由OFDM、WiFi等。

OFDM

在技术上,目前很多无人机喜欢用的传输技术为OFDM,是多载波调制的一种,该技术更适合于高速数据的传输,OFDM有很多优势,比如在窄带带宽下也能够发出大量的数据、能够对抗频率选择性衰落或窄带干扰等等。

但是,OFDM也有缺点:

载波频率偏移

对相位噪声和载波频偏十分敏感

峰均比比较高

所以把这三个缺陷瓶颈解决掉才是完美的技术。

WIFI

除了OFDM之外,很多厂家也都在使用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传输是具有高性价比的无人机图传使用最广泛的技术,但是因为WiFi在技术上有很多限定,且不可修改的,并且很多厂家都是拿来方案直接搭建,所以其缺点也十分突出:比如芯片设计成什么格式就是什么格式的,无法修改,技术比较固化;干扰管理策略实时性不强;信道利用率比较低等等。

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

2016101100005 在FPV模式下更需要低时延才行

说到时延,端到端的时延主要有以下几个方面:

高层组包时延

高层到物理层的时延

时隙资源分配机制导致的时延

传播的时延

物理层处理时延,解调解码等

高层处理时延

这两种图传方式应该是目前无人机图传的主流。

其实总体来说,无人机远距离传输其实就是距离和功耗之间的平衡,其中还涉及了很多调制技术,比如用扩频来提高抗干扰能力、信道信源技术的优化等等。大疆以前是使用的WiFi技术,现在用的是软件无线电SDR,软件无线电其实只是一个概念,其实里面的技术还是OFDM传输技术,它也不比WiFi高明太多,只不过大疆自己优化了系统,更适合它的无人机,所以7公里图传虽然听上去特别牛,其实是功耗和距离平衡之间的传输以及传输技术的调制掌握的比较好。

(本文来源:硬创公开课)

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