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| 本文作者： 恒亮 | 2016-10-18 18:24 | 專題：雷峰網(wǎng)公開課 |
自從大疆新品 Mavic 的關(guān)鍵特性之一：“7公里圖傳”功能公布以來，在驚訝之余，也燃起了人們對無人機遠距離圖傳功能的興趣。圍繞這一話題，在前不久的在第63期的硬創(chuàng)公開課中，我們已經(jīng)就無人機在遠距離圖傳上的一些實現(xiàn)方法進行了討論（鏈接）。雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)
但作為消費類無人機的關(guān)鍵性技術(shù)壁壘之一，遠距離無線傳輸領(lǐng)域的一個子集，遠距離無線圖傳功能一直是無人機行業(yè)技術(shù)開發(fā)的一個重點，同時也是廣大極客朋友們熱切關(guān)注的一個技術(shù)性話題，人們希望能夠從技術(shù)實現(xiàn)的角度，用公式和原理對圖傳這一話題進行更深入和細致的探討。為此，我們今天有幸請到了一位行業(yè)大牛，他將從技術(shù)細節(jié)出發(fā)，為我們介紹圖傳系統(tǒng)設(shè)計中的 1 個核心問題，2 個設(shè)計紅線，4 個基本設(shè)計參數(shù)，8 個設(shè)計重點，以及 1 個中肯的設(shè)計建議。
張昕，北京凌河機電總工程師，中國航天九院副研究員，電測儀器專家。曾參與多個型號航天測控和通訊設(shè)備開發(fā)。也是一個20多年的老航模愛好者。
這次公開課是以演講的方式進行的，以下是張昕的演講原文：
從“圖傳”的叫法我們就可以發(fā)現(xiàn)，這并非一個專業(yè)的定義。大概是從某些資深航模玩家口中發(fā)展而來，并且它只存在于消費類無人機領(lǐng)域。專業(yè)的航空航天器并沒有獨立的視頻圖像傳輸設(shè)備，而實時視頻則是無線數(shù)據(jù)鏈路中傳輸?shù)囊徊糠謨?nèi)容或者是其中的一個通道，它也一直被包含在航天遙測系統(tǒng)中。
無人機將遙測信號（包含視頻圖像以及各種傳感信息）發(fā)射出來，地面的遙測接收系統(tǒng)，通常包含了自動跟蹤天線陣列和同步的多通道接收機。在接收數(shù)據(jù)的同時，可以實時地計算出無人機的位置、航速、航向等信息。這也是最傳統(tǒng)最古老的遙測模式之一。在沒有 GPS 的年代，除了光測就只能依靠無線電遙測數(shù)據(jù)了，這個模式就是被動雷達。
隨著衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展，無人機大多使用了 GPS 和衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路，但直接遙測仍然無法被替代。幾十年來作為一個航天大國，國內(nèi)的遙測遙控水平一直處于世界第一梯隊。圖傳設(shè)備作為其通訊系統(tǒng)的一部分，也得到了充分發(fā)展，150 公里以上中程無人機圖傳是很普遍的，但 100 萬以上的價格也相對昂貴。
所以對于消費類無人機來說已有足夠多可借鑒的東西，我認為消費類無人機圖傳設(shè)計的核心問題只是“成本問題” 。不必去懷疑可以通訊多快多遠，因為無線通訊技術(shù)發(fā)展到今天，沒有人會懷疑火星傳回的 1080P 信號了。我們真正要討論的就是代價問題。目前市場上的 1080P 圖傳產(chǎn)品售價基本均在 1700 美元以內(nèi)，硬件成本控制在 700 美元以內(nèi)也就成為了消費類無人機圖傳設(shè)計的第一條紅線。
當然，也還有第二條紅線，就是法規(guī)。中國無線電管理的最高法律文件是《中華人民共和國無線電管理條例》，立法機關(guān)為國務(wù)院和中央軍委，由各級無線電管理機構(gòu)執(zhí)行監(jiān)管。如果使用者希望給圖傳單獨申請執(zhí)照， 則需要該圖傳首先獲得 《無線電發(fā)射設(shè)備型號核準證》，他的依據(jù)是國家《無線電頻率劃分規(guī)定》中的有關(guān)無線電發(fā)射設(shè)備技術(shù)指標的規(guī)定。取得專業(yè)電臺執(zhí)照并不是不可操作，只是在消費類無人機領(lǐng)域沒有辦法推廣。
對于專業(yè)航空航天器來說，頻譜劃分時已留有專門的測控頻段，而消費類無人機只能老老實實地屈就于 ITU-R（ITU Radiocommunication Sector，國際通信聯(lián)盟無線電通信局） 的 ISM頻段（Industrial Scientific Medical，工業(yè)化科學(xué)醫(yī)療頻段）。13.56Mhz、27.12Mhz、40.68MHz、433Mhz、915Mhz、2.4Ghz、5.8GHz 都是 1W 以內(nèi)無需執(zhí)照發(fā)射的。其中，433MHz 及以下頻段通常很難滿足高清圖傳的帶寬要求，915Mhz 頻段有一半已經(jīng)被 GSM 占用，且 L 波帶寬并不富裕， S 波段的 2.4GHz 也就成了 1080P 獲得遠距離的首選，但 4K 或者更高清晰度的圖傳設(shè)計者卻很難在 S 波段的帶寬上找到便宜，C 波段的 5.8G 則可以做得更寬。 不過，相同發(fā)射功率和接收靈敏度下 5.8G 與 2.4G 相比通訊距離僅為 41.4%，并且其衰減對水氣更敏感，實際通訊距離則不到 30%，兩者各有利弊。
【編者注】：這里提到的 L 波段、S 波段和 C 波段通常是按照如下劃分的：
第二條紅線基本確定了兩個參數(shù)：
第一個參數(shù)：1W 的發(fā)射功率(+30dBm)
第二個參數(shù)：2.4G 或 5.8G 的 ISM 頻段
也許很多工程師會對我確定 1W 發(fā)射功率感到失望， 那么咱們接下來我會讓他們重拾信心，看看未來到底能實現(xiàn)多遠的通訊距離。繼續(xù)設(shè)定兩個參數(shù)：
第三個參數(shù)：-105dBm 的接收靈敏度
第四個參數(shù)：3dBi 發(fā)射和接收天線（很難找到比這個指標更差的天線了）
根據(jù)自由空間無線電波傳播規(guī)律：
P 發(fā)射功率 - P 接收靈敏度 + G 發(fā)射天線增益 + G 接收天線增益 = 32.44 + 20*lg(f 頻率) + 20*lg(D 距離)
30dbm-(-105dbm)+3dbi+3dbi=32.44+20*lg(2400Mhz)+20*lg(D)
解出 D=111.6Km 去掉 3dB 雨衰和 3dB 裕度實際通訊距離約為 50 公里。 這個結(jié)果會不會讓你恢復(fù)對 1W 發(fā)射功率信心。畢竟我們只用了最普通的 3dBi 天線。大家一定已經(jīng)注意到了-105dBm 的接收靈敏度。沒錯，這個才是致勝的關(guān)鍵。許多廉價數(shù)字圖傳使用 WIFI 設(shè)備或套片來開發(fā)，距離不理想的一個根本問題就是接收靈敏度。
以 802.11g/b 的 OFDM 模式54Mb/s 速率為例，其接收靈敏度只有 -68dBm，考慮芯片廠商提升接收靈敏度到-70dBm。在+25dBm(316mW) 發(fā)射功率下， 則有：
25-(-70)+3+3=32.44+20*lg(2400)+20*lg(D)
解出 D=1.1Km，這樣實際通訊距離約為 500 米。因此，許多老射頻工程師都推崇接收靈敏度致勝原則。提高發(fā)射功率的代價往往太大了，提高 4 倍發(fā)射功率才能增加一倍距離，1W 和 4W 之間的這本帳也就能算清楚了。
8 個設(shè)計重點
接下來討論八個設(shè)計重點：
第一點， 視頻編解碼
目前 1080P 圖傳產(chǎn)品所采用的編解碼方案基本都是硬件方案，硬件方案的實時性會有一定優(yōu)勢。與其他領(lǐng)域的圖傳不同，無人機圖傳對時延的要求很高，尤其是 FPV 飛行。對于航拍而言，如果圖傳時延過大，云臺手在依據(jù)視頻圖像控制云臺過程中很容易超調(diào)。市場上的 1080P 圖傳產(chǎn)品大多采用 TI 達芬奇方案和海思方案。TI 目前還沒有推出硬解的 H.265 產(chǎn)品，只有 H.264 的 DSP，但其通用性更強。海思 H.265 方案成本優(yōu)勢比較明顯，開發(fā)速度更快。
就目前編解碼算法而言， 將 1080P 30FPS 信號壓縮到 6Mb/s碼流， 其效果已經(jīng)可以滿足廣播級應(yīng)用。在不握手的無線通訊中(類似 UDP)，誤碼事件是一定會出現(xiàn)的，遠距離情況下誤碼率會非常高，而真正致命的因素則是碼流中的關(guān)鍵信息丟失。比如幀同步數(shù)據(jù)，一旦丟失就會造成整幀丟失。必須對關(guān)鍵信息進行冗余處理才能適用于單向無線信道。同時接收機基帶解調(diào)算法中的時鐘提取，位同步，字同步，幀同步也要針對高誤碼率來設(shè)計，否則小的誤碼就會產(chǎn)生災(zāi)難性的圖像丟失。
上圖為視頻編碼標準（少了H.265）
上圖為 TI 達芬奇
上圖為海思芯片
第二點， 低噪聲放大器(LNA)
第一級 LNA 的噪聲系數(shù)是整個接收機設(shè)計中決定性的一環(huán)，想實現(xiàn)優(yōu)于 -105dBm 的接收就必須面對 LNA 帶來的影響。老射頻工程師會更信賴分立場效應(yīng)管的窄帶 LNA， 看似簡單，實則復(fù)雜，通常在 ADS 上仿真或矢網(wǎng)上一推敲就是一個月的時間。雖然兩端已經(jīng)匹配到 50 歐的集成 LNA 芯片也很容易獲得 0.9 以內(nèi)的噪聲系數(shù)(比如 HMC376，ADL5523)，但與那些老射頻工程師的作品比肯定還是輸在了起跑線上。
上圖分別為 ADS 仿真和 矢網(wǎng) 仿真
上圖是一個射頻基帶到前端的整體組成
第三點， 本振(LO)
一直以來，本振的相位噪聲其實并非一個對射頻工程師造成困擾的問題。這里其實是個成本問題，只要你在頻綜上不吝惜 20 美金，就可以獲得 -212dBC/Hz 的相位噪聲(比如LMX2531)。如果你的本振預(yù)算只有 6 美金，選擇普通 PLL ( 比如 AD4360 的 -167dBC/Hz ) 就會影響整機的信噪比。最終決定接收及靈敏度的不是射頻信號的放大倍數(shù)，而是接收機的整機噪聲系數(shù)和基帶解調(diào)門限(信噪比)。
目前市場上的1080P 圖傳產(chǎn)品都不約而同地采用了 ADI 的小基站方案 AD9361/AD9371， 雖然價格偏貴，但相比 DAC+AD8349 和 AD8347+ADC 的方案卻更容易處理了。
有一個好消息會讓你振奮，據(jù) RichWave 公司的 HenryHo 透露，他們正在把 RTC6763 這顆幾個美金的集成射頻芯片與海思 H.265 平臺整合。RTC6763 在 4Mbit/s 的 QPSK 調(diào)制模式下為 -86dBm 的接收靈敏度，在 S 波段 1W 發(fā)射功率和兩端 3dbi 天線下，就已經(jīng)具備了 7 公里以上的通訊能力。
上圖為 ADI 的小基站方案
上圖為 RichWave 的方案，因為 TI 還沒有 H265 的DSP，后面的 DSP 實際是 H264 的編碼
第四點， 天線
文中計算通訊距離都采用了低增益的 3dBi 天線。實際發(fā)射和接收則可以使用 6dBi 天線，甚至在地面使用 10dBi 以上聚焦天線或陣列天線。每增加 6dB，通訊距離就增加一倍。如果發(fā)射和接收都從 3dbi 換成 6dbi ，那就是增加一倍通訊距離了。
在一定限度內(nèi)，從天線上獲得更遠通訊距離的機會千萬不要錯過。方向圖和極化方式的選擇是使用中最容易出問題的地方，很多人發(fā)射采用垂極化，而接收則是水平極化，使通訊距離大打折扣。地面接收天線盡可能要與發(fā)射天線的極化方式一致。
圖示為極化方向不同的示意
如果不考慮垂直爬升很高的高度，機上發(fā)射天線比較適合采用垂直極化的全向天線，主瓣夾角可以很小，近距離可以依靠旁瓣，這樣就能最大限度地保證水平通訊距離。
圖示為 GP 的方向面，左側(cè)是水平面內(nèi)的全向，右側(cè)是垂直平面，正下方增益很低
如果有垂直爬升需要，則可以考慮方向性不強的圓極化天線， GPS 就是選擇右旋極化天線。
天線的增益反應(yīng)的是將電磁能量集中的能力，增益越高方向性也就越強。越高增益的天線輻射主瓣夾角就越小，有些實驗?zāi)酶咴鲆嫣炀€通訊距離卻還不如低增益天線，就是因為這個指向性問題。比如：高增益定向天線往往只有幾度到十幾度的夾角。
圖示為一個定向天線的方向圖
并沒有真正意義的三維全向天線，全向天線是指在某一個平面內(nèi)其方向圖具有全向特性。比如垂直極化的 GP 天線，他只是在水平面上全向而已，如下圖所示。
第五點， 基帶（調(diào)制解調(diào)）
很多工程師一上來就會選擇高階調(diào)制， 比如 16QAM 星座， 8PSK 星座。 的確 1080P的視頻要求傳輸速度，但是實際上對于 6M 碼流 3M 的 QPSK 已經(jīng)足夠了，低階調(diào)制的解調(diào)門限更低， 可以獲得更好的接收靈敏度。
常用的調(diào)制方式
如果能進一步提高壓縮比，采用 BPSK 也未嘗不可。與 4G 和 WIFI 不同，1080P 的圖傳并不需要那么高的速度，卻需要更高的接收靈敏度，進而獲得更遠的通訊距離。
我發(fā)現(xiàn)很多人有個誤解：他們認為依據(jù)香濃定理，傳輸速度速率越快，接收靈敏度就越低。這是個概念錯誤（跟香濃定理真的沒有一毛錢關(guān)系） 。來看看香濃是怎么說的：
準確地說香濃定理是告訴我們，調(diào)制階數(shù)越高（C/B越高），對信噪比要求就越高，接收靈敏度也就越低。比如 QPSK 的 C/B=2 解調(diào)所需信噪比 S/N=3，BPSK 的 C/B=1，解調(diào)所需信噪比 S/N=1。如果C（傳輸視頻所需的數(shù)據(jù)速率）不變，只要提高射頻帶寬B那么C/B也就降低了，對信噪比要求也就沒有那么高了，也就是用低階調(diào)制。他反映的是頻帶運輸信息的能力，就像火車皮和貨物，絕對量與香濃定理無關(guān)。
而射頻帶寬的真正影響是，其寬度決定了輸入熱噪聲功率，簡稱固有底噪，KTBRF=K*T*BRF(Hz)，其中K 為波爾茲曼常熟，T 為 290K 室溫，BRF 為射頻帶寬。按照前面說的已經(jīng)足夠的 3M 帶寬來計算，看看到底會有多大的熱輸入噪聲混雜在接收信號內(nèi)。
KTBRF(log) = 10*log(1.381*10^-23W/Hz/K*290KX3.84MHz*1000mW/W) = -110dBm
看到這個數(shù)字你就會明白為什么把接收靈敏度（第三個參數(shù)）定為 -105dBm了。其實我只是讓接收信號比噪聲強出幾個了dB而已，我留出的余量，信噪比不到4倍（接近4）。
對于1080P圖傳的多機通訊問題，考慮到 ISM 頻段帶寬有限，射頻的頻分(FDM)和跳頻(FHSS)都沒有那么多頻分信道可用，時分(TD)和碼分(CD)也不適用，因此基帶上的 OFDM 劃分正交頻分信道可能是最有前途的選擇。
其實 OFDM 并非一種調(diào)制模式，他只是頻分帶寬的方式。咱們聽 FM 廣播，人民臺和交通臺在不同頻率，相距比較遠，就是 FD，如果兩個電臺相距很近，重疊又相互不干擾就是 OFDM。
示意圖，橫軸為頻率
基帶解調(diào)算法在抗干擾問題上會起到?jīng)Q定性作用，我們無法在使用圖傳的過程中阻止隔壁老王在相同頻率上發(fā)射，因此找到合適的基帶算法會占據(jù)整個圖傳設(shè)計 70% 以上的工作量。
第六點，視距通訊距離
自由空間中的視距通訊距離是沒法靠地面拉據(jù)來測試的，因為地球是圓的，其可見距離如下：
式中，h1 和 h2 分別為收發(fā)天線的高度，K 為氣象因子。評估 LOS 通訊距離要充分了解菲涅爾區(qū)的影響。
在遠距離情況下飛機只有具有足夠高度才能達到理論上的通訊距離。
第七點， 震動或旋轉(zhuǎn)帶來的幅度調(diào)制
很多飛行器會有自轉(zhuǎn)或者自身震動，這些周期振動傳達到天線會形成幅度調(diào)制，通常情況下比較輕微，但它也會降低信噪比，甚至通過眼圖可以直接觀察出來。解調(diào)算法要盡可能地避免這種影響。
這種情況可能并不容易遇到，但遇到的話請大家別忘記天線震動帶來的幅度調(diào)制。
第八點， 多徑問題
空中到地面通訊的多徑問題會帶來符號位串擾。如果某一個代表 1 或 0 的符號位延遲到達，會與他后面的符號位重疊，造成誤碼。
WIFI 通常無法解決大延時的多徑問題，其協(xié)議為了追求傳輸速度和成本，只考慮了小空間范圍內(nèi)的傳播延時，這也是 WIFI 不適合遠距離通訊的其中一個原因。發(fā)射機基帶信號可以采用單位沖擊升余弦濾波器來實現(xiàn)波形成形，其時域波形的“拖尾”衰減較快，可減少符號間干擾。升余弦濾波器的另一個好處是軟件帶寬限制，功放(PA)前面可以省略SAW濾波器。
要想搞好一款圖傳產(chǎn)品，不能停留于擺弄概念，不能依賴于集成芯片和現(xiàn)有通訊協(xié)議。一定要從射頻基礎(chǔ)問題做起，每個 dB 必爭。失之毫厘，差之千里。
最后，張昕強調(diào)：每個 dB 必爭是搞射頻的一個態(tài)度。任何一條電纜的插損，任何一個接插件的插損，任何一個天線的回損，任何一段 PCB 上微帶線的準確性，都可能是致命的。
上圖為張昕開發(fā)的圖傳發(fā)射和接收的射頻部分
下面是公開課群友關(guān)于這次講座的一些問題，以及張昕的回答。
問1：您剛才提到，“對于 1080P 圖傳的多機通訊問題，考慮到 ISM 頻段帶寬有限，射頻的頻分(FDM)和跳頻(FHSS)都沒有那么多頻分信道可用，時分(TD)和碼分(CD)也不適用，因此基帶上的 OFDM 劃分正交頻分信道可能是最有前途的選擇。”這段話里，時分和碼分不適用的原因是什么？
答：時分和碼分都是以犧牲速度和帶寬來換取的。時分自然容易理解，一個樓梯一個時刻只能過一個人，兩個人就要排隊過。碼分的話，一方面是擴頻后對帶寬的要求更高了，另一方面擴頻編碼本身就是用一串碼來代替一個符號的，這樣同時也犧牲了速度。碼分本身解決的是多址問題，還可以帶來碼增益和抗干擾，可是對于圖傳來說信道不需要很多。
問2：您剛才還說到“ WIFI 通常無法解決大延時的多徑問題，其協(xié)議為了追求傳輸速度和成本，只考慮了小空間范圍內(nèi)的傳播延時，這也是 WIFI 不適合遠距離通訊的其中一個原因。”那么，適合遠距離無線通信的協(xié)議，應(yīng)該具有什么特點？
答：首先就是高誤碼率的問題。因為 WIFI 的數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)際層等之上原本是為了跑 TCP 傳輸層的。圖傳協(xié)議不握手，不做重傳機制，但需要對關(guān)鍵信息的冗余，普通信息不會帶來馬賽克，而且圖傳并不需要 WIFI 和 4G 那么快，那么多信道，那么低廉的成本，那么多設(shè)備在同一空間中使用。所以很多現(xiàn)有協(xié)議中的內(nèi)容是多余的。
問3：COFDM 為何不作為首選？
答：其實 COFDM 和 OFDM 是一回事，Coded 的 OFDM 是首選。
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