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| 本文作者： 趙青暉 | 2016-09-30 21:51 | 專(zhuān)題：雷峰網(wǎng)公開(kāi)課 |
大疆Mavic
大疆新品Mavic的“7公里圖傳”讓人睜大了眼，驚訝之余人們都對(duì)無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)距離圖傳產(chǎn)生了興趣，無(wú)人機(jī)想要做超遠(yuǎn)距離圖傳究竟需要什么樣的技術(shù)呢？圖傳的距離和功耗在無(wú)人機(jī)上如何進(jìn)行平衡？技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有什么樣的難度？為了解決這些問(wèn)題，我們邀請(qǐng)了上海大楚電子創(chuàng)始人兼CEO、上海后洪電子創(chuàng)始人汪東為我們講述“無(wú)人機(jī)圖傳的那些事”。以下是汪東在硬創(chuàng)公開(kāi)課的演講摘編。
途徑
實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離有很多選擇，可以是有線(xiàn)的，也可以是無(wú)線(xiàn)的。在一般情況下，肯定是有線(xiàn)傳輸更加的遠(yuǎn)，上萬(wàn)公里傳輸都是可以的。拿語(yǔ)音傳輸來(lái)說(shuō)，當(dāng)面對(duì)話(huà)靠聲波傳輸，雖然聲波傳輸距離很短，但是不借助高科技手段也是可以的（比如我們上學(xué)時(shí)候?qū)W的“紙杯電話(huà)”）。而圖像的話(huà)就必須要通過(guò)現(xiàn)代通訊手段才行，比如光纖。
電磁波的頻率
提到現(xiàn)代通訊手段，就要講到電磁波頻率，通常來(lái)說(shuō)，電磁波頻率越低傳播越遠(yuǎn)。比如軍事活動(dòng)所需要的保密通訊電話(huà)的傳輸，就屬于超短波頻率，傳輸比較遠(yuǎn)，地面通訊一般使用這種頻率（對(duì)講機(jī)等）。而一些需要中繼傳遞的通訊方式（通過(guò)中繼塔臺(tái)等）用的是短波，短波就比超短波頻率更低，能傳播的更遠(yuǎn)，幾百公里上千公里都是可以的，比如VOA的電臺(tái)用的就是短波頻率。
遠(yuǎn)距離傳輸肯定是數(shù)據(jù)量越窄傳播的越遠(yuǎn)，發(fā)射功率越大靈敏度越高，由此就涉及到了功率的問(wèn)題。
功率
想要超遠(yuǎn)距離發(fā)射信息，功率越大發(fā)射越遠(yuǎn)。像那些架在高的地方的電視塔都是功率幾千瓦甚至上萬(wàn)瓦的。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，比如廣播通過(guò)塔臺(tái)發(fā)射之后，很大面積地區(qū)都能收到廣播，這個(gè)功率肯定小不了，電視工作者如果暴露在發(fā)射設(shè)備下那么對(duì)身體的傷害是非常大的。
北京廣播電視塔
綜上，各種運(yùn)營(yíng)商的設(shè)備同理，他們加大基站或者塔臺(tái)的功率，都是為了傳的更遠(yuǎn)。
帶寬
帶寬語(yǔ)音一般來(lái)說(shuō)都是3K左右，因?yàn)槠胀ㄈ苏f(shuō)話(huà)3K就夠了，如果能夠壓縮的話(huà)幾百K就夠了，所以語(yǔ)音的傳輸帶寬是非常小的。而現(xiàn)在無(wú)人機(jī)的帶寬都是以M起步，這對(duì)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)奶魬?zhàn)就大了很多。傳輸距離取決于靈敏度，根據(jù)香農(nóng)公式，帶寬增加十倍，靈敏度就下降十倍，所以帶寬對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳輸來(lái)說(shuō)是很珍貴的。
圖像傳輸跟普通信號(hào)傳輸相比特點(diǎn)還是比較鮮明的：
1、圖像傳輸?shù)奶攸c(diǎn)是數(shù)據(jù)量太大了。TXT等文件通常都是幾K起步，而圖像數(shù)據(jù)量就大得多，比如iPhone隨意照張照片就要幾M了，所以需要的帶寬要很高。
2、圖像傳輸不能有時(shí)延，跟大家看電影一樣，有卡頓就不能忍受了，此外，我們看電影，高清圖像就很爽，模糊就受不了。
綜上，無(wú)人機(jī)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)就是，數(shù)據(jù)量大，延遲要求要低。這都是無(wú)線(xiàn)傳輸最難管控的地方。
上文說(shuō)過(guò)，圖像傳輸?shù)奶攸c(diǎn)是圖像質(zhì)量要求高，實(shí)時(shí)畫(huà)面監(jiān)控延遲要低，除了這兩點(diǎn)外還有一些問(wèn)題：
因?yàn)闊o(wú)人機(jī)是便攜設(shè)備，所以它的功率不可能非常的大，所以傳輸功耗要小，但是功耗小與距離遠(yuǎn)就是矛盾的。
另外，無(wú)人機(jī)傳輸要抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)闊o(wú)人機(jī)經(jīng)常要在人群密集或者有電磁干擾等環(huán)境復(fù)雜的情況下進(jìn)行工作，這樣難免傳輸會(huì)受到外界影響，這也是個(gè)問(wèn)題。
世界上對(duì)無(wú)人機(jī)傳輸也有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)無(wú)人機(jī)傳輸有了一些限制。
傳得遠(yuǎn)首先要過(guò)功耗功率這一關(guān)。世界上對(duì)無(wú)人機(jī)有功耗標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，比如歐洲要過(guò)CE，美國(guó)要過(guò)FCC，無(wú)人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)涉及無(wú)線(xiàn)通訊方面就是EMC電池兼容方面的要求、功耗和發(fā)射功率不能超過(guò)多少等等。比如大疆精靈4的CE要求是20 、FCC要求23，最新的產(chǎn)品御CE要求23、FCC要求26，這些都給無(wú)人機(jī)的傳輸進(jìn)行了限制。
除了這些要求還有電池的發(fā)展局限性，這個(gè)是個(gè)傳輸以外的問(wèn)題，在這里就不多談了。
大疆精靈4
綜上，無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?，總結(jié)來(lái)說(shuō)就是：質(zhì)量要高，功率要低，抗干擾能力要強(qiáng)，傳輸距離要遠(yuǎn)，國(guó)家法律法規(guī)的限制以及電池技術(shù)的發(fā)展。
說(shuō)了這么多要求，就要講一下，無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)距離傳輸最重要的一點(diǎn)，也就是距離與功耗的平衡。
根據(jù)香農(nóng)公式，距離和帶寬有關(guān)系，距離遠(yuǎn)帶寬就要窄，之所以限制很多飛行設(shè)備都在用一些快要淘汰的調(diào)制技術(shù)（比如飛機(jī)要調(diào)幅波），就是需要平衡傳輸距離和功耗之間的關(guān)系。
我需要傳得遠(yuǎn)，那么功率就要大，但是政策上有規(guī)定功率功耗不能大，唯一可以改善的就是信道信源相關(guān)的技術(shù)，也就是無(wú)限通訊最重要的技術(shù)。
在同樣的功耗、其他部件減輕、電池優(yōu)化的情況下，把帶寬壓縮，不要把圖像完全無(wú)失真的去傳輸，才能保證距離與功耗相對(duì)的平衡。當(dāng)然，這個(gè)就是要根據(jù)研發(fā)的水平來(lái)了，拿大疆舉例，無(wú)人機(jī)需要30分鐘續(xù)航，那么電池就確定了，體重也確定了，發(fā)射功耗確定了，要提高距離就要優(yōu)化無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)募夹g(shù)，目前那些技術(shù)是用在無(wú)人機(jī)圖傳方面的技術(shù)呢？
Mavic實(shí)時(shí)圖傳
先用形象的方式介紹幾個(gè)名詞（學(xué)通訊相關(guān)的同學(xué)可以跳過(guò)這一部分）：
信道：通信系統(tǒng)中傳輸?shù)耐ǖ?，好比是高架橋?/p>
信源：信源是產(chǎn)生各類(lèi)信息的實(shí)體，好比是載滿(mǎn)水泥的大卡車(chē)。
編碼：好比是快遞與打包，為了傳輸過(guò)程中有無(wú)損壞。
擴(kuò)頻：是一種信息處理改善傳輸性能的技術(shù)，好比是八路，隱蔽性高、抗干擾能力強(qiáng)。
調(diào)制：好比是新的交通工具，減少傳遞步驟。
具體來(lái)說(shuō)，圖傳就是要把一個(gè)東西準(zhǔn)確、快速的從一個(gè)地方傳遞到另一個(gè)地方，要抗干擾，還要抓重點(diǎn)。所以信源和信道就要改善，關(guān)于信道技術(shù)就是抓重點(diǎn)的基礎(chǔ)，比如目前常見(jiàn)的MPEG-2、MPEG-4等技術(shù)，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是把圖片的重點(diǎn)壓縮，抓住重點(diǎn)傳輸。信道編碼就是為了減少碼元數(shù)率，減少帶寬占用，因?yàn)閭鬏敻鷰捰嘘P(guān)系，抓住重點(diǎn)可以避免浪費(fèi)功率。
目前無(wú)人機(jī)圖傳主流的技術(shù)由OFDM、WiFi等。
OFDM
在技術(shù)上，目前很多無(wú)人機(jī)喜歡用的傳輸技術(shù)為OFDM，是多載波調(diào)制的一種，該技術(shù)更適合于高速數(shù)據(jù)的傳輸，OFDM有很多優(yōu)勢(shì)，比如在窄帶帶寬下也能夠發(fā)出大量的數(shù)據(jù)、能夠?qū)诡l率選擇性衰落或窄帶干擾等等。
但是，OFDM也有缺點(diǎn)：
載波頻率偏移
對(duì)相位噪聲和載波頻偏十分敏感
峰均比比較高
所以把這三個(gè)缺陷瓶頸解決掉才是完美的技術(shù)。
WIFI
除了OFDM之外，很多廠(chǎng)家也都在使用WiFi技術(shù)，可能WiFi說(shuō)出來(lái)讓人感覺(jué)很低端，其實(shí)不是這樣的，WiFi技術(shù)也在不停的進(jìn)步。
WiFi傳輸是具有高性?xún)r(jià)比的無(wú)人機(jī)圖傳使用最廣泛的技術(shù)，但是因?yàn)閃iFi在技術(shù)上有很多限定，且不可修改的，并且很多廠(chǎng)家都是拿來(lái)方案直接搭建，所以其缺點(diǎn)也十分突出：比如芯片設(shè)計(jì)成什么格式就是什么格式的，無(wú)法修改，技術(shù)比較固化；干擾管理策略實(shí)時(shí)性不強(qiáng)；信道利用率比較低等等。
另外WiFi傳輸還有跟物理層的銜接不緊密的缺點(diǎn)，導(dǎo)致反應(yīng)不迅速，傳輸時(shí)延較大，最多有秒級(jí)的時(shí)延。
在FPV模式下更需要低時(shí)延才行
說(shuō)到時(shí)延，端到端的時(shí)延主要有以下幾個(gè)方面：
高層組包時(shí)延
高層到物理層的時(shí)延
時(shí)隙資源分配機(jī)制導(dǎo)致的時(shí)延
傳播的時(shí)延
物理層處理時(shí)延，解調(diào)解碼等
高層處理時(shí)延
這兩種圖傳方式應(yīng)該是目前無(wú)人機(jī)圖傳的主流。
其實(shí)總體來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)距離傳輸其實(shí)就是距離和功耗之間的平衡，其中還涉及了很多調(diào)制技術(shù)，比如用擴(kuò)頻來(lái)提高抗干擾能力、信道信源技術(shù)的優(yōu)化等等。大疆以前是使用的WiFi技術(shù)，現(xiàn)在用的是軟件無(wú)線(xiàn)電SDR，軟件無(wú)線(xiàn)電其實(shí)只是一個(gè)概念，其實(shí)里面的技術(shù)還是OFDM傳輸技術(shù)，它也不比WiFi高明太多，只不過(guò)大疆自己優(yōu)化了系統(tǒng)，更適合它的無(wú)人機(jī)，所以7公里圖傳雖然聽(tīng)上去特別牛，其實(shí)是功耗和距離平衡之間的傳輸以及傳輸技術(shù)的調(diào)制掌握的比較好。
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