消费类无人机图传系统设计中的一些关键

本文介绍了消费类无人机图传系统设计的核心问题、设计参数和设计重点。关键问题是成本控制,设计红线包括1W发射功率和法规限制。主要参数包括发射功率、接收灵敏度和工作频段。文章详细探讨了视频编解码、低噪声放大器、本振、天线设计、基带调制解调等方面,并提供了设计建议。最后,强调了每个dB的重要性,指出OFDM可能是多机通讯的有前途选择。

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导语:本次公开课从技术的角度详细介绍了图传系统设计中的: 1 个核心问题,2 个设计红线,4 个基本设计参数,8 个设计重点,以及 1 个中肯的设计建议。

自从大疆新品 Mavic 的关键特性之一:“7公里图传”功能公布以来,在惊讶之余,也燃起了人们对无人机远距离图传功能的兴趣。围绕这一话题,在前不久的在第63期的硬创公开课中,我们已经就无人机在远距离图传上的一些实现方法进行了讨论

但作为消费类无人机的关键性技术壁垒之一,远距离无线传输领域的一个子集,远距离无线图传功能一直是无人机行业技术开发的一个重点,同时也是广大极客朋友们热切关注的一个技术性话题,人们希望能够从技术实现的角度,用公式和原理对图传这一话题进行更深入和细致的探讨。为此,我们今天有幸请到了一位行业大牛,他将从技术细节出发,为我们介绍图传系统设计中的 1 个核心问题,2 个设计红线,4 个基本设计参数,8 个设计重点,以及 1 个中肯的设计建议。

  嘉宾介绍

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张昕,北京凌河机电总工程师,中国航天九院副研究员,电测仪器专家。曾参与多个型号航天测控和通讯设备开发。也是一个20多年的老航模爱好者。

这次公开课是以演讲的方式进行的,以下是张昕的演讲原文:

  1 个核心问题,2 个设计红线

从“图传”的叫法我们就可以发现,这并非一个专业的定义。大概是从某些资深航模玩家口中发展而来,并且它只存在于消费类无人机领域。专业的航空航天器并没有独立的视频图像传输设备,而实时视频则是无线数据链路中传输的一部分内容或者是其中的一个通道,它也一直被包含在航天遥测系统中。

无人机将遥测信号(包含视频图像以及各种传感信息)发射出来,地面的遥测接收系统,通常包含了自动跟踪天线阵列和同步的多通道接收机。在接收数据的同时,可以实时地计算出无人机的位置、航速、航向等信息。这也是最传统最古老的遥测模式之一。在没有 GPS 的年代,除了光测就只能依靠无线电遥测数据了,这个模式就是被动雷达。

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随着卫星导航的发展,无人机大多使用了 GPS 和卫星数据链路,但直接遥测仍然无法被替代。几十年来作为一个航天大国,国内的遥测遥控水平一直处于世界第一梯队。图传设备作为其通讯系统的一部分,也得到了充分发展,150 公里以上中程无人机图传是很普遍的,但 100 万以上的价格也相对昂贵。

所以对于消费类无人机来说已有足够多可借鉴的东西,我认为消费类无人机图传设计的核心问题只是“成本问题” 。不必去怀疑可以通讯多快多远,因为无线通讯技术发展到今天,没有人会怀疑火星传回的 1080P 信号了。我们真正要讨论的就是代价问题。目前市场上的 1080P 图传产品售价基本均在 1700 美元以内,硬件成本控制在 700 美元以内也就成为了消费类无人机图传设计的第一条红线

当然,也还有第二条红线,就是法规。中国无线电管理的最高法律文件是《中华人民共和国无线电管理条例》,立法机关为国务院和中央军委,由各级无线电管理机构执行监管。如果使用者希望给图传单独申请执照, 则需要该图传首先获得 《无线电发射设备型号核准证》,他的依据是国家《无线电频率划分规定》中的有关无线电发射设备技术指标的规定。取得专业电台执照并不是不可操作,只是在消费类无人机领域没有办法推广。

对于专业航空航天器来说,频谱划分时已留有专门的测控频段,而消费类无人机只能老老实实地屈就于 ITU-R(ITU Radiocommunication Sector,国际通信联盟无线电通信局) 的 ISM频段(Industrial Scientific Medical,工业化科学医疗频段)。13.56Mhz、27.12Mhz、40.68MHz、433Mhz、915Mhz、2.4Ghz、5.8GHz 都是 1W 以内无需执照发射的。其中,433MHz 及以下频段通常很难满足高清图传的带宽要求,915Mhz 频段有一半已经被 GSM 占用,且 L 波带宽并不富裕, S 波段的 2.4GHz 也就成了 1080P 获得远距离的首选,但 4K 或者更高清晰度的图传设计者却很难在 S 波段的带宽上找到便宜,C 波段的 5.8G 则可以做得更宽。 不过,相同发射功率和接收灵敏度下 5.8G 与 2.4G 相比通讯距离仅为 41.4%,并且其衰减对水气更敏感,实际通讯距离则不到 30%,两者各有利弊。

【编者注】:这里提到的 L 波段、S 波段和 C 波段通常是按照如下划分的:

<think>好的,我现在需要帮助用户了解或开发无人机系统的技术方案。首先,我得回顾用户提供的引用内容,看看里面有哪些关键点可以利用。 用户提到了四个引用,其中引用[1]提到系统无人机的“眼睛”,包含飞控、云台+相机和系统。引用[2]讨论了不同的技术,比如模拟、WiFi、OFDM、COFDM和Lightbridge,分别适用于不同场景。引用[3]指出消费级无人机系统与专业航空航天器的区别,强调实时视频输的重要性。引用[4]是关于航测方案的规范,可能涉及数据输的精度要求。 用户的需求是技术实现方案,所以需要结构化的回答,涵盖技术选型、关键模块、开发步骤等。首先应该明确系统的基本组成,可能包括发射端、接收端、编解码、输协议等。然后要考虑不同技术的优缺点,比如模拟延迟低但距离近,数字如WiFi适合短距离,而OFDM适用于长距离专业应用。 接下来需要分析技术选型的因素,比如输距离、延迟、抗干扰能力、功耗和带宽。用户可能关心如何根据应用场景选择合适的技术,比如消费级无人机可能用WiFi或Lightbridge,而工业级需要更可靠的COFDM。 还要考虑开发步骤,从需求分析、硬件选型、软件设计到测试优化。可能涉及天线设计、编解码算法(如H.265)、纠错机制(FEC)、多链路聚合等。此外,测试环节需要关注实际飞行环境中的干扰和稳定性。 用户可能没有明确说出来的需求包括成本控制、合规性(比如频段许可),以及如何集成到现有无人机系统中。需要提醒参考相关规范,如引用[4]中的航测标准,可能影响数据输的精度和格式。 最后,生成相关问题时要围绕技术细节、优化方法、应用场景和测试标准,帮助用户深入探索。需要确保回答引用正确,比如模拟的特点来自引用[2],专业与消费级的区别来自引用[3]等。 现在组织内容,确保符合格式要求,使用中文,分点清晰,正确引用,并附上相关问题。</think>### 无人机系统技术实现方案 #### 一、系统组成 无人机系统由**发射端**、**接收端**和**输协议**三部分组成: 1. **发射端**:集成于无人机,包含摄像头、编码芯片(如H.264/H.265)、射频模块和天线[^1]。 2. **接收端**:地面站设备,负责信号解调、解码及显示,支持实时监控和存储。 3. **输协议**:定义数据封装、纠错(如前向纠错FEC)、信道分配等机制[^3]。 #### 二、核心技术选型 根据应用场景选择技术方案(引用[2]): | 技术类型 | 特点 | 适用场景 | |----------------|----------------------------------------------------------------------|-------------------------| | **模拟** | 延迟低(<5ms),抗干扰弱,输距离短(1-3km) | 高速竞速无人机 | | **WiFi** | 成本低,易开发,距离受限(<1km),易受干扰 | 消费级/玩具无人机 | | **OFDM/COFDM** | 抗多径干扰强,距离远(10-50km),带宽高(1080P/4K) | 工业巡检、测绘 | | **Lightbridge**| 大疆专利技术,低延迟(50-200ms),支持双频自适应(2.4G/5.8G) | 专业航拍 | #### 三、关键实现步骤 1. **需求分析** - 明确输距离(如5km级需COFDM)、分辨率(720P/4K)、延迟要求(航拍需<200ms)[^2]。 - 确定频段:5.8GHz(带宽高但穿透差)或2.4GHz(覆盖广,易干扰)。 2. **硬件设计** - **天线优化**:采用MIMO技术或定向天线提升信噪比。 - **芯片选型**:如HiSilicon海思系列(低功耗编码)、ADI射频芯片(支持QPSK/16QAM调制)。 - **散热设计**:高功率模块需加装散热片或风冷。 3. **软件算法** - **编解码**:H.265比H.264节省40%带宽,需硬件加速(如GPU/NPU)。 - **抗干扰**:动态跳频(FHSS)或信道感知(CSMA/CA)。 - **多链路聚合**:通过多个射频模块并行输,提升吞吐量(如同时使用WiFi和4G)。 4. **测试验证** - **实验室测试**:使用矢量信号发生器模拟多径衰落。 - **外场测试**:在不同地形(城市/山区)验证实际输距离和稳定性。 #### 四、优化方向 - **低延迟**:通过帧内预测压缩(I帧优先)减少编码时间。 - **高可靠**:采用ARQ自动重请求,丢包率需<0.1%[^4]。 - **轻量化**:使用FPGA实现协议栈,比通用CPU功耗降低60%。 #### 五、典型方案示例 **工业测绘无人机方案**(引用[4]): ``` 发射端:4K相机 → H.265编码 → COFDM调制(20MHz带宽) → 双极化天线 接收端:软件定义无线电(SDR)接收 → 实时拼接 → 输出至GIS平台 指标:输距离15km@1080P30fps,端到端延迟300ms,支持GPS同步 ```
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