无人机图传中的射频技术
科技
2024-11-09 08:01
湖北
2024年7月18日，大疆推出了全新的DJI SDR图传系统，带领无线图传和航拍行业迈上新的台阶；该图传系统基于软件定义无线电（Software Defined Radio, SDR）技术开发，支持SDR和Wi-Fi两种图传制式：当信道受到干扰时，DJI SDR图传将在2.4GHz、5.8GHz、DFS三类频段之间无感自动跳频，切换到最佳传输信道，维持图传画面的稳定。根据大疆介绍，其图传距离最远可达3公里，已经可以满足大多数移动拍摄的场景。如果说中国无人机制造商大疆创新的巨大估值和营收说明了什么，那就是无人机正日益变成一桩大生意。无人机现在已经引来众多资本竞相追逐，除此之外，各大半导体公司也都加快速度布局这一千亿级的市场，开发适合无人机应用的创新产品和技术。我们把目前主流的无人机的内部电路板拆解开来后，就会发现无人机的电路控制系统主要由三大部分组成：飞控系统、云台+相机、图像传输系统。下面析无人机图传中的射频技术：在无人机的视频传输方面，高配的图传系统已经可实现5km/1080P30fps传输，但这是众多国内娱乐无人机厂商还没有做到的。一般的做法是在云台搭载相机，高空拍摄再飞回地面检查。这种方式由于不能即时看到拍摄画面，所以还不能满足航拍的要求。“当然目前也有不少方案是采用5.8GHz频段传输模拟视频到地面，最远距离能达600多米。但这种方式需要在飞行器上将高清(1080P或4K)转码成720P，再转成数字信号传输到遥控器显示屏上，技术上也较复杂，并且画面会有马赛克、停顿或卡死。画面质量也不够好，用到专业航拍还有距离，适合普通爱好者娱乐。”2.4GHz是目前无人机市场比较主流采用的频段。在大疆的Phantom3上，就搭载了备受好评的DJI Lightbridg全高清数字图像传输系统，其内置了2.4G遥控链路，其高配方案实测有效传输距离高达5km，标配也达到了1.7Km。“图像传输系统的性能是区分无人机档次的一个关键因素。图像传输距离的远近，图像传输质量的好坏，图像传输的稳定性等是衡量无人机图传性能的关键因素。”简而言之，无人机图像传输系统就是将天空中处于飞行状态的无人机所拍摄的画面实时稳定的发射给地面无线图传遥控接收设备。图像传输的实时性、稳定性是关键。2.4GHz传输器是无人机图传系统的核心器件。虽然433MHz频段穿透性强，通讯距离远，可以最远传输达2公里，但由于其抗干扰能力弱，遥控无人机或飞行器上都不太采用。目前专业WiFi芯片厂商（包括博通与高通）都还没有开发出这种远距离无线高清视频传输的芯片。但是无人机市场如此火热，无线芯片厂商已经在着手计划推出专用芯片。未来我们也许会看到能同时与控制器和显示器建立链路的双模芯片组。在专用芯片推出之前，RF工程师可以通过分立器件去实现远距离高带宽的无线视频传输。应用于无人机上的2.4GHz传输器IC必须具备高接收灵敏度、低功耗、小体积以及各种先进的信道管理能力。赛普拉斯2.4-GHz单芯片无线电收发器WirelessUSB已经开始用于无人机上，在控制信号传输和视频传输上均有成功应用。而赛普拉斯最新的第四代WirelessUSBNX收发器不仅继承了一贯的超低功耗优良性能特性，而且其2Mbps的数据速率可最大限度的减少发送和接收时间。在2.4GHzISM频段下，相比竞争对手，可提供更高集成度和最佳性价比。当然，与2.4GHz收发器配合使用的板材选择也非常重要。“射频电路设计一直是系统设计中的难点，这除了需要高接收灵敏度的射频收发器外，还需要专业的高性能微波板材与之配合。罗杰斯高性能微波板材就特别适合与2.4GHz收发器配合，应用在无人机的图像传输系统中。例如，RO4350已经成功应用到了国内某知名厂商的无人机图传系统中。”1.灵活性和可编程性：SDR技术的“软件定义”特点使其能够通过软件实现多种通信协议，适应不同的传输标准和频段。这种灵活性使得SDR技术可以在不同环境下自动调整传输参数，以确保最佳的传输质量。2.频谱利用效率：SDR技术提高了频谱利用效率，减少了干扰，提供了更稳定的传输性能。3.自动跳频：当信道受到干扰时，DJI SDR图传可以在2.4GHz、5.8GHz、DFS三类频段之间无感自动跳频，切换到最佳传输信道，维持图传画面的稳定。与其他图传技术的比较：
1.Wi-Fi图传：虽然广泛应用，但易受干扰，传输距离有限，且功耗较高，适合近距离应用。2.数字微波传输：提供高质量传输，但设备成本昂贵，安装调试复杂，对环境要求较高，适用于专业领域。3.4G/5G图传：具有广域覆盖优势，但在偏远地区网络覆盖不均，传输延迟较高，且高额流量费用使其不适合长时间、大流量的应用。1.ADI是SDR技术领域的领导者，其射频收发器广泛应用于各种通信系统中。AD9361/AD9364：这些是高性能的宽带射频收发器，支持70MHz到6GHz的频段，广泛应用于SDR系统。AD9371/AD9375：这些是集成度更高的宽带射频收发器，支持300MHz到6GHz的频段，适用于无线基站和其他高性能通信系统。2.TI也提供多种支持SDR技术的射频收发器，适用于各种通信应用。AWR1642：这是一款集成了DSP和MCU的毫米波传感器，支持76GHz到81GHz的频段，适用于汽车雷达和工业传感应用。LMS7002M：这是一款高性能的宽带射频收发器，支持0.1MHz到3.8GHz的频段，适用于SDR和无线通信系统。3.Xilinx提供的FPGA和RFSoC产品广泛应用于SDR系统中，具有高度的灵活性和可编程性。Zynq UltraScale+ RFSoC：这是一款集成了RF ADC和DAC的系统级芯片，支持宽带射频信号处理，适用于5G无线通信和雷达系统。RF Data Converter：Xilinx的RF数据转换器模块支持宽带射频信号的采集和处理，适用于SDR系统。4.NXP提供多种支持SDR技术的射频收发器，适用于各种通信和物联网应用。LPC55S69：这是一款集成了DSP和射频收发器的微控制器，支持多种无线通信标准，适用于物联网和工业自动化应用。TJA1100：这是一款支持以太网通信的射频收发器，适用于汽车和工业应用。5.Infineon提供多种支持SDR技术的射频收发器，适用于各种通信和传感应用。BGT24MTR11：这是一款集成了射频收发器和天线的毫米波传感器，支持24GHz的频段，适用于汽车雷达和工业传感应用。BGSA12GN10：这是一款高性能的射频开关，支持宽带射频信号的切换和处理，适用于SDR系统。其实，国内在软件定义无线电技术领域取得了显著进展，多个企业和研究机构推出了相关的芯片技术方案。这些方案具备灵活性和可编程性、高集成度和多频段支持等优势，但也面临高性能要求、功耗管理和市场竞争等挑战。通过不断提升技术水平和产品性能，国内的SDR芯片方案在无线通信和物联网等领域具有广阔的应用前景。二、高性能的PA/LNA/FILTERIC，确保远距离传输、抗干扰在与2.4GHz的传输器IC的配合中，高性能的PA/LNA/FILTERIC也是必不可少的。Avago一系列PA/LNA/FILTERIC已经广泛应用于无人机图传系统中。这些器件包括：MGA-22003、MGA-64606、MGA-675T6、MGA-25203、MGA-412P8、ACFF-1024、ALM-1912等。MGA-22003线性功率放大器是确保图像能远距离传输的关键器件，在任何负荷或条件下都可保持稳定，而且其3x3mm的封装非常适合无人机空间受限的应用。而面向2.4GHz频段应用设计的微型化带通滤波器ACFF-1024则非常适合应用在无人机图传系统中以去除外部干扰。它可以解决WiFi/Bluetooth和其他无线通讯标准同时运行的问题，不会因相邻无线射频干扰影响性能。经济实惠、易于使用的GaAsMMIC低噪声放大器(LNA)MGA-64606也是众多无人机产品优选的器件。“MGA-64606通过采用Avago专有的0.25um GaAs增强模式pHEMT工艺，来达到低噪声系数和高线性的特点。能够提高无人机图传系统的整个接受信号灵敏度，关键是它还具有可切换式关闭和旁路功能，以便可以在输入信号功率较高时绕过。这项特性可以减少电流消耗，延长设备的电池寿命，对于无人机来说是非常有意义的。”小占用面积、小尺寸、内嵌功率侦测电路、电源关闭功能以及绝佳的功率效率使得无线局域网(WLAN)功率放大器MGA-412P8成为移动IEEE802.11bg WLAN应用的理想选择。它在3%EVM54Mbps数据传输率(OFDM调制)时，线性输出功率为19.0dBm，在11Mbps(CCCK调制)时，线性输出功率为23dBm。而在某些5.8GHz图传系统中，MGA-675T6LNA和MGA-25203PA等也是完全可以满足性能需求的。电源和晶体振荡器为电路系统提供动力和时钟参考。无人机对电源的要求十分苛刻，除了要确保低功耗高效率外，在无人机图传系统中，需要注意的是LDO还必须具有高的纹波抑制比。另一方面，由于飞行器的应用场景一般都是户外，客户势必会做全温范围内的温度补偿，目前晶体振荡器行业里比较领先的是EPSON（爱普生）的高精度温补晶振（TCXO）技术，其精度高达2ppm，完全能够满足无人机工作场景的环境要求。小结：尽管现在的无人机市场还比较小众，不过自2014年已经开始了爆发式增长的阶段。在大疆之后，更多的企业进入了这一高速成长的市场。出货量从以前的百K级以内增长到现在的百K/年，相比以前已经有10倍的增长。不过，续航时间、载重能力仍然是现在无人机厂商需要面对的挑战。但可以预见，无人机市场的潜力仍然巨大，前途依旧不可估量。来源：大疆创新、RFLab射频实验室等，转自公众号雨飞工作室。![]()
