無人機短距離圖像傳輸與接收原理

1、無人機短距離圖像傳輸與接收原理及常見問題總序圖像傳輸原理、一、模擬微波傳輸原理：    1.1系統(tǒng)特點    系統(tǒng)容量有限實際使用環(huán)境中圖像發(fā)送端和接收端都處于空中平臺中，     實時性由于圖像發(fā)送和接收的實時性要求高，使用體積有限，故而選擇的圖像壓縮和解壓縮算法必須高效、易于實現(xiàn)，同時時延小。    高保真圖像顯示由于接收端需要對圖像進(jìn)行分辨從而做出正確的選擇，因而圖像壓縮算法必須選用高保真的壓縮算法。    干擾信道環(huán)境使用環(huán)境為戰(zhàn)時復(fù)雜的

2、電磁環(huán)境，信道中存在著各種噪聲、突發(fā)干擾和隨機干擾。    1.2系統(tǒng)方案    由于系統(tǒng)容量要求，采用頻分體制完成多個信道的同時工作，同時將紅外圖像壓縮后傳輸以減小每個信道使用帶寬。    1.2.1發(fā)送端設(shè)計    發(fā)送端包括三部分：綜合基帶、發(fā)射機和天線。綜合基帶是其中的關(guān)鍵部件，完成對圖像數(shù)據(jù)的采集、壓縮、編碼和交織，完成對狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、編碼，完成對傳送數(shù)據(jù)的組幀輸出及對發(fā)射信號的發(fā)送控制。考慮功耗、體積和實際耗費資源，選擇一片大規(guī)模FPGA完成所有信號處理。

3、60;   1.2.2接收端設(shè)計    接收端包括四部分：接收天線、信號處理機、接收處理組件    接收處理組件完成數(shù)據(jù)的接收、存盤、圖像數(shù)據(jù)提取、解壓縮和顯示及狀態(tài)數(shù)據(jù)的提取和顯示。解壓縮采用軟件實現(xiàn)，解壓縮軟件嵌入到指控平臺接收端的接收軟件中，在接收信號的同時完成壓縮圖像的解碼和實時顯示。    1.3關(guān)鍵技術(shù)    1.3.1天線設(shè)計    由于發(fā)送端設(shè)備位于導(dǎo)彈上，接收端設(shè)備位于飛機上，故而存在收發(fā)天線失配問題，設(shè)計時

4、接收端天線采用圓極化形式，發(fā)送端天線采用一對垂直分布的線極化天線，這樣將極化損耗降到最低，有利于接收端的接收。同時考慮通信時抗干擾問題，發(fā)送端天線采用后向天線圖形式，為增加抗干擾性，還要求發(fā)送端天線具有一定的增益。圖2為發(fā)送天線仿真圖。    1.3.2信源信道聯(lián)合編解碼技術(shù)    由于紅外導(dǎo)引頭的圖像格式不是標(biāo)準(zhǔn)的視頻圖像格式，普通的視頻圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)并不適用；紅外導(dǎo)引頭的圖像具有目標(biāo)形狀變化比較快的特點，也不適用幀間壓縮方式；同時考慮到彈上應(yīng)用環(huán)境的特殊性，壓縮算法必須具有硬件實現(xiàn)簡單、體積和功耗小，考慮實際使用環(huán)境，其壓縮和解壓縮

5、算法實現(xiàn)還必須具備實時性強的特點，因此，選用多分辨率重采樣圖像壓縮算法對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。    接收端若使用軟件對RS碼解碼，會造成較大的時延，故使用硬件完成圖像數(shù)據(jù)的解交織、譯碼和狀態(tài)數(shù)據(jù)的譯碼，使用軟件完成圖像數(shù)據(jù)的解壓縮和圖像顯示。    1.3.3信號處理平臺的選擇與設(shè)計    設(shè)計初期必須進(jìn)行發(fā)送端和接收端的信號處理平臺的選擇。    2驗證    因為實際最大的空間傳輸時延是可以計算出來的，使用衰減器將發(fā)送端和接收端直接連接在一起，

6、直接測試發(fā)送端和接收端的圖像數(shù)據(jù)起始端的信號差異即可測出系統(tǒng)時延。    室外驗證試驗中，接收天線采用雙天線接收，增益為17dB，選擇分集合成接收機，在發(fā)射系統(tǒng)天線前端使用衰減器。因此，本文主要對無人機短距離圖像傳輸?shù)脑砗统Ｒ妶D像不穩(wěn)定問題進(jìn)行分析和探究。目前無人機圖像傳輸器主要分為兩種。一種是基于WiFi信號進(jìn)行圖像傳輸。如Phantom 4（大疆公司旗下精靈4無人機）、EXPLOR V（零度智控旗下探索者無人機）.而另一種則是直接利用1.2G、5.8G信號頻段進(jìn)行直接信號傳輸。如柏通1.2G圖傳，TS832圖傳。WiFi類圖傳主要是利用中繼模塊產(chǎn)生WiFi信

7、號，進(jìn)而進(jìn)行圖像傳輸。WiFi圖傳的數(shù)據(jù)傳輸需要發(fā)送端與接收端首先建立起通訊握手機制，再傳輸每個大小為512字節(jié)的數(shù)據(jù)包。每個數(shù)據(jù)包傳輸必須完整無誤，丟失其中一個字節(jié)都會導(dǎo)致整個數(shù)據(jù)包重新發(fā)送，確認(rèn)完整的接收一個數(shù)據(jù)包之后，才開始傳輸下一個數(shù)據(jù)包，而這也正是導(dǎo)致圖傳延時的原因。而對于自樹林中進(jìn)行飛行，由于樹上有潮濕的水蒸氣阻擋信號，很容易引起WiFi數(shù)據(jù)包丟失某些字節(jié)，整個大數(shù)據(jù)包就必須重新發(fā)送，這就導(dǎo)致WiFi圖傳經(jīng)常性的延時。解決辦法 lightbridge高清圖傳技術(shù)應(yīng)用了單向傳輸技術(shù)，2.4G指工作頻率在2.4G的范圍內(nèi)。信號的發(fā)射首先需要高頻振蕩器產(chǎn)生一個固定的頻率，在頻率產(chǎn)生的同時

8、會產(chǎn)生很多次生頻率，這些頻率往往是以主要頻率倍數(shù)形式存在，比如想要得到一個100MHZ的信號作為可以傳到FM收音機的載波，要想頻率穩(wěn)定就必須使用穩(wěn)頻晶體。而如果只有10MHZ的穩(wěn)頻晶體，就可以用該晶體起振后選頻出它的10倍后的頻率。無線傳輸是解決幾公里甚至幾十公里不易布線場所監(jiān)控傳輸?shù)慕鉀Q方式之一。采用調(diào)頻調(diào)制或調(diào)幅調(diào)制的辦法，將圖像搭載到高頻載波上，轉(zhuǎn)換為高頻電磁波在空中傳輸。其優(yōu)點是：綜合成本低，性能更穩(wěn)定，省去布線及線纜維護(hù)費用；可動態(tài)實時傳輸廣播級圖像，圖像傳輸清晰度不錯，而且完全實時；組網(wǎng)靈活，可擴展性好，即插即用；維護(hù)費用低。其缺點是：由于采用微波傳輸，頻段在1GHz以上，常用的有

9、L波段（1.02.0GHz）、S波段（2.03.0GHz）、Ku波段（1012GHz）,傳輸環(huán)境是開放的空間，如果在大城市使用，無線電波比較復(fù)雜，相對容易受外界電磁干擾；微波信號為直線傳輸，中間不能有山體、建筑物遮擋；如果有障礙物，需要加中繼加以解決，Ku波段受天氣影響較為嚴(yán)重，尤其是雨雪天氣會有比較嚴(yán)重的雨衰現(xiàn)象。不過現(xiàn)在也有數(shù)字微波視頻傳輸產(chǎn)品，抗干擾能力和可擴展性都提高不少。發(fā)送端包括三部分：綜合基帶、發(fā)射機和天線。綜合基帶是其中的關(guān)鍵部件，完成對圖像數(shù)據(jù)的采集、壓縮、編碼和交織，完成對狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、編碼，完成對傳送數(shù)據(jù)的組幀輸出及對發(fā)射信號的發(fā)送控制。考慮功耗、體積和實際耗費資源，選

10、擇一片大規(guī)模FPGA完成所有信號處理。    1.2.2接收端設(shè)計    接收端包括四部分：接收天線、信號處理機、接收處理組件    接收處理組件完成數(shù)據(jù)的接收、存盤、圖像數(shù)據(jù)提取、解壓縮和顯示及狀態(tài)數(shù)據(jù)的提取和顯示。解壓縮采用軟件實現(xiàn)，解壓縮軟件嵌入到指控平臺接收端的接收軟件中，在接收信號的同時完成壓縮圖像的解碼和實時顯示。  1無線信道圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計    1.1系統(tǒng)特點    系統(tǒng)容量有限實際使用環(huán)境中圖像發(fā)送端和接收端都處于空

11、中平臺中，考慮系統(tǒng)中有多個數(shù)據(jù)流通信，圖像實際使用帶寬過大，一方面影響整個系統(tǒng)容量，另外會帶來接收端諸多問題，為滿足實際工程應(yīng)用，必須控制每組信道的使用帶寬，故而需將圖像壓縮后傳輸。    實時性由于圖像發(fā)送和接收的實時性要求高，使用體積有限，故而選擇的圖像壓縮和解壓縮算法必須高效、易于實現(xiàn)，同時時延小。    高保真圖像顯示由于接收端需要對圖像進(jìn)行分辨從而做出正確的選擇，因而圖像壓縮算法必須選用高保真的壓縮算法。    干擾信道環(huán)境使用環(huán)境為戰(zhàn)時復(fù)雜的電磁環(huán)境，信道中存在著各種噪聲、突發(fā)干擾和隨機干擾。

12、    1.2系統(tǒng)方案    由于系統(tǒng)容量要求，采用頻分體制完成多個信道的同時工作，同時將紅外圖像壓縮后傳輸以減小每個信道使用帶寬。    1.2.1發(fā)送端設(shè)計    發(fā)送端包括三部分：綜合基帶、發(fā)射機和天線。綜合基帶是其中的關(guān)鍵部件，完成對圖像數(shù)據(jù)的采集、壓縮、編碼和交織，完成對狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、編碼，完成對傳送數(shù)據(jù)的組幀輸出及對發(fā)射信號的發(fā)送控制?？紤]功耗、體積和實際耗費資源，選擇一片大規(guī)模FPGA完成所有信號處理。    1.2.2接收端設(shè)計

13、    接收端包括四部分：接收天線、信號處理機、接收處理組件    接收處理組件完成數(shù)據(jù)的接收、存盤、圖像數(shù)據(jù)提取、解壓縮和顯示及狀態(tài)數(shù)據(jù)的提取和顯示。解壓縮采用軟件實現(xiàn)，解壓縮軟件嵌入到指控平臺接收端的接收軟件中，在接收信號的同時完成壓縮圖像的解碼和實時顯示。    1.3關(guān)鍵技術(shù)    1.3.1天線設(shè)計    由于發(fā)送端設(shè)備位于導(dǎo)彈上，接收端設(shè)備位于飛機上，故而存在收發(fā)天線失配問題，設(shè)計時接收端天線采用圓極化形式，發(fā)送端天線采用一對垂直分布

14、的線極化天線，這樣將極化損耗降到最低，有利于接收端的接收。同時考慮通信時抗干擾問題，發(fā)送端天線采用后向天線圖形式，為增加抗干擾性，還要求發(fā)送端天線具有一定的增益。圖2為發(fā)送天線仿真圖。    1.3.2信源信道聯(lián)合編解碼技術(shù)    由于紅外導(dǎo)引頭的圖像格式不是標(biāo)準(zhǔn)的視頻圖像格式，普通的視頻圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)并不適用；紅外導(dǎo)引頭的圖像具有目標(biāo)形狀變化比較快的特點，也不適用幀間壓縮方式；同時考慮到彈上應(yīng)用環(huán)境的特殊性，壓縮算法必須具有硬件實現(xiàn)簡單、體積和功耗小，考慮實際使用環(huán)境，其壓縮和解壓縮算法實現(xiàn)還必須具備實時性強的特點，因此，選用多分辨率

15、重采樣圖像壓縮算法對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。    接收端若使用軟件對RS碼解碼，會造成較大的時延，故使用硬件完成圖像數(shù)據(jù)的解交織、譯碼和狀態(tài)數(shù)據(jù)的譯碼，使用軟件完成圖像數(shù)據(jù)的解壓縮和圖像顯示。    1.3.3信號處理平臺的選擇與設(shè)計    設(shè)計初期必須進(jìn)行發(fā)送端和接收端的信號處理平臺的選擇。    2驗證    因為實際最大的空間傳輸時延是可以計算出來的，使用衰減器將發(fā)送端和接收端直接連接在一起，直接測試發(fā)送端和接收端的圖像數(shù)據(jù)起始端的信號差異即可

16、測出系統(tǒng)時延。    室外驗證試驗中，接收天線采用雙天線接收，增益為17dB，選擇分集合成接收機，在發(fā)射系統(tǒng)天線前端使用衰減器。傳播，不向外空間散射，其特點是信號比較穩(wěn)定，傳播方式主要適用于長波和中波波段。3兆赫以下。天波傳播：在大氣層中，從幾十公里至幾百公里的高空有幾層“電離層”形成了一種天然的反射體，電波射到“電離層就會被反射回來，走這一途徑的電波就稱為天波或反射波。在電波中，主要是短波具有這種特性。3-30兆赫。散射傳播：是利用對流層或電離層中介質(zhì)的不均勻性或流星通過大氣時的電離余跡對電磁波的散射作用來實現(xiàn)超視矩傳播。這種傳播方式主要用于超短波和微波遠(yuǎn)距離通

17、信。30-500兆赫。視距傳播：電波直接從發(fā)信天線傳到收信點(有時有地面反射波)。目前廣泛使用的超短波通信和衛(wèi)星通信的電波傳播均屬這種傳播方式。2.4G控至5.8G圖傳都在超短波范圍。對于需要實時控制的航模飛機來說，除了直接接收到信號，靠任何之外的無線電特性提高距離的方式都是不可靠的，盡管長波中波繞射能力極強，依然受空間玩境制約，很不穩(wěn)定。【無線電的“穿透力”】無線電的頻率越高，越接近光的傳播特性，無線電對絕緣體有穿透，對導(dǎo)體產(chǎn)生反射和繞射。平時常說的穿透力，其實大部分時候，朋友們是想追求繞射能力，頻率越低繞射能力越強，在無線電中，真正使用其繞射能力的波段是長波和中波，也就是3兆赫以下。在30

18、兆赫以上的頻率，基本上都已經(jīng)都是直射接收了，100兆赫以上時，講繞射能力，沒有什么意義。無線電真正意義上的穿透，不在咱們的討論泛圍內(nèi)，玩航模也用不到?！咎炀€的簡單原理和特性】簡單的我把可以把發(fā)射天線看做燈管，把接收天線看做一只接收燈管，很好理解，要想兩支燈管間的信號完美的傳遞，最佳狀態(tài)就是兩支燈管平行放置。錯誤的放置是一支天線立放，一支天線橫放，最差的放置是橫放的天線指向立放的天線，所以我們安置天線的時候，一定要注意發(fā)射和接收天線保持平行，才可以有最佳和最遠(yuǎn)的接收效果，要絕對避免一支天線指向另一支天線的情況發(fā)生。只要接收和發(fā)射天線是平行放置，不論是立放還是倒放，效果是一樣的。同理我們可以把不愿

19、受到無線電影響的設(shè)備，特意的放置在天線指向的位置上，但在載機上受空間限制可能不一定做到?！咎炀€安裝】載機是絕緣體不會影響信號傳播，機載設(shè)備等導(dǎo)電體，在飛機姿態(tài)變化時，如果正好處于了接收和發(fā)射天線之間，在距離遠(yuǎn)信號弱時就可能造成信號中斷，機載天線最佳的安裝位置應(yīng)該是在飛機的下部，這樣機載天線受機載設(shè)備屏蔽的幾率最小，干擾也會降到最小。【飛遠(yuǎn)和飛高的天線安裝方式】向遠(yuǎn)飛的飛機，接收天線和發(fā)射天線，都采用垂直方式安裝。追求高度的飛機，接收和發(fā)射天線水平放置為好。但水平放置接收天線，容易受到飛機姿態(tài)和方位影響，應(yīng)盡量采用雙接收天線的接收機，兩支天線呈90度角水平安裝，以達(dá)到最佳的接收效果?！咎炀€安裝角

20、】為了飛行安全的考慮，我們可以預(yù)先按我們的要求，使天線有一定的安裝角。比如圖傳天線（圖傳是把航模上采集的視頻發(fā)回地面的圖像傳送設(shè)備，為了更直觀講解，所以用圖像天線來說明），可以有一點向前傾的角度，這樣飛機前方的信號有一點向下的輻射角，而飛機后面有一點向上的輻射角，我們相對在飛機的下方，這時對于我們所處的下方位置來說，飛機后下方的場強比飛機前下方的場強略小些，當(dāng)飛機飛遠(yuǎn)，感覺圖像不清晰了，飛機返航，機頭向我們時，圖像可以變的清晰些。相反，如果機頭轉(zhuǎn)向我們時，圖像可能就沒有了，這肯定是不可取的，這角度稍微有幾度就可以，不要過大。對于接收機天線，也是相同道理。有雙天線的接收機，天線垂直安裝時，可以讓

21、前面天線有一個向后，后面天線向前的傾角，這樣飛機無論是去還是來，都可以保證有較穩(wěn)定的接收。當(dāng)天線是水平安裝時不用考慮安裝角。看了很多帖子討論圖傳頻率和功率的選擇，關(guān)于“穿透”能力的討論更是眾說紛紜。作為物理專業(yè)畢業(yè)生，在這里給大家闡明一下給頻率和”穿透“能力的基本物理關(guān)系。本人只是從物理的理論角度分析，如果有不準(zhǔn)確的地方，歡迎指正。首先，我們說的“穿透”能力其實是指的無線電波“繞”過障礙物繼續(xù)傳播的能力，另稱為“衍射”。衍射是波傳播的特有性質(zhì)，滿足衍射發(fā)生的條件是：障礙物的尺寸不大于波長。圖傳的各頻率的波長是多少呢？根據(jù)波長計算公式lamda= c/f, 其中c 為光速，f為頻率?？梢缘贸鍪忻?/p>

22、上常見的四種頻率（900mhz, 1.2ghz, 2.4ghz, 5.8ghz)的波長分別為： 33.31cm, 24.98cm, 12.49cm, 5.17cm。 知道波長了，對比飛行中有可能出現(xiàn)的障礙物的尺寸，其穿透能力就一目了然。：無論哪個頻率各種建筑肯定擋住信號。對于2.4ghz和5.8ghz，樹枝樹葉也會對其構(gòu)成不小的威脅，所以飛到樹的后面也很危險。順便再聊聊功率和有效距離的關(guān)系：對于全向天線（棒狀天線/蘑菇頭天線等）有效距離的平方跟功率成正比，比如一個1w的圖傳，有效距離是1000米；那么2w的圖傳有效距離就是1414米。為什么？因為圖傳發(fā)射的信號能量從天線一點向空間傳播，其無線信

23、號就會以球面向四周擴散，發(fā)射能量均勻分布在空間的球面上。球心就是圖傳發(fā)射端，接收端處在球面上的任意一點。發(fā)射與接受端的距離就是球的半徑。球面的面積s就跟球的半徑平方成正比。所以圖傳有效距離跟發(fā)射功率平方成正比。上面討論可見一味提高圖傳的發(fā)射功率不是增加距離最有效的方式。最有效的方式就是把分散在球面上的能量都集中在接收端方向，這就是定向天線的優(yōu)勢。下面介紹一個概念：增益。增益的單位是db分貝，分貝=輸出能量數(shù)量級/輸入能量數(shù)量級X10。輸出/輸入的倍數(shù)與分貝的換算：1倍=0分貝，10倍=10分貝，100倍=20分貝，1000倍=30分貝. 簡而言之，增益代表的是天線對于發(fā)射能量“塑造”的能力，增

24、益越大說明天線發(fā)射的能量在某個方向越集中。 所以增加圖傳距離最有效的方法就是改變接收端的天線，可以讓一個有效距離1km的圖傳，瞬間變成20km的馬拉松fpv圖傳。一句話，嗓門大不如對的準(zhǔn)?！靖鞣N天線的場強分布】相同構(gòu)造天線的發(fā)射和接收場強是基本一致的，并且不是有源天線的話，都是可以直接互換互用的，在這里就不再做細(xì)分了。另外大家對天線的外觀并不陌生，我也就不再上圖了。1】全向天線:無線電專業(yè)里常叫鞭狀天線。它就象一個燈管，它的發(fā)射泛圍，垂直放置時，是在水平方向上向周圍散射，在360度泛圍內(nèi)都有均勻的場強分布，是我們比較常用的一種形式。水平放置時，假如天線是東西方向放置，場強分布是包括天空在內(nèi)的南

25、北方向，以及天線到地面的南北方向空間泛圍內(nèi)分布。因此垂直天線，主要針對水平方向的目標(biāo)，水平天線主要針對垂直高度上的目標(biāo)，和窄范圍內(nèi)的水平目標(biāo)。2】八木天線：定向傳輸天線，八木天線由比天線稍短的引向器，和比天線稍長的反射器，中間安裝天線的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，八木天線的場強主要集中在引向器一側(cè)，反射器將天線發(fā)出的信號反射回引向器方向，使場強增強，同時有屏蔽后方干擾的作用。八木天線在垂直安裝時，上下的場強分布角與全向天線差不多，在水平方向上場強分布角，與引向器的多少有關(guān)，引向器越多，夾角越小，方向性越強，夾角內(nèi)的場強越高。一般常見引向器3-5支，再多效果亦不明顯。主要特點是在有效范圍內(nèi)場強分布均勻，方向性好，

26、抗干擾能力強。3】拋物面天線：這種天線的場強分布有兩部分，類似手電光，一部分是燈泡直接射出的散射光，另部分，也是主要部分，是反射器反射形成的直射光。所以拋物面天線的效率是最高的，但方向性也是最強的，最常見是用在固定點對點的微波通信，如果用在飛行器上的通信，必須裝在高精度跟蹤云臺上才可以，如果跟蹤云臺精度不高也是盲人騎瞎馬。另外拋物面天線對組裝精度要求也很高。4】平板狀天線：平板天線的特性和八木天線基本相同，好的平板天線結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但體積小，重量輕，安裝簡單。體積效率比高，野外FPV狂人的首選天線。需配合跟蹤云臺使用?！咎炀€的計算和自制】無線電的傳僠速度和光速相同，每秒300萬公里。無線電波長的計算為，300÷頻率，比如150兆赫的波長為，300÷150=2米（注意單位是米），天線的長度要和波長匹配，一般的全向天線多采用1/4波長或1/2波長，相較1/2波長的天線效率較高。為什么不能用全波波長的天