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消费类无人机图传系统设计中的一些关键
来源:AUVSC | 作者:高博特 | 发布时间: 2022-10-17 | 4209 次浏览 | 分享到:
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……

 

    4个基本设计参数

第二条红线基本确定了两个参数:

第一个参数:1W 的发射功率(+30dBm)

第二个参数:2.4G 或 5.8G 的 ISM 频段

也许很多工程师会对我确定 1W 发射功率感到失望, 那么咱们接下来我会让他们重拾信心,看看未来到底能实现多远的通讯距离。继续设定两个参数:

第三个参数:-105dBm 的接收灵敏度

凡尘说:图传,能达到这个接收灵敏度?

没见过。谁家有这个水平,欢迎联系凡尘来做实验室测试。所以,我不知道作者是怎么算的。

第四个参数:3dBi 发射和接收天线(很难找到比这个指标更差的天线了)

凡尘说:天线指标?只有更差,没有最差。差不差,要看选的对不对,用的对不对。

科普:天线增益

根据自由空间无线电波传播规律:

P 发射功率 - P 接收灵敏度 + G 发射天线增益 + G 接收天线增益 = 32.44 + 20*lg(f 频率) + 20*lg(D距离)

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【凡尘说:这个太理想了,无人机上几乎测试不出来】实际通讯距离约为 50 公里。这个结果会不会让你恢复对 1W 发射功率信心。毕竟我们只用了最普通的 3dBi 天线。大家一定已经注意到了-105dBm 的接收灵敏度。没错,这个才是致胜的关键。许多廉价数字图传使用 WIFI 设备或套片来开发,距离不理想的一个根本问题就是接收灵敏度。

科普:电磁波空间传播模型真身-弗里斯传输公式

以 802.11g/b 的 OFDM 模式54Mb/s 速率为例,其接收灵敏度只有 -68dBm,考虑芯片厂商提升接收灵敏度到-70dBm。在+25dBm(316mW) 发射功率下, 则有:

 25-(-70)+3+3=32.44+20*lg(2400)+20*lg(D)

解出 D=1.1Km,这样实际通讯距离约为 500 米。因此,许多老射频工程师都推崇接收灵敏度致胜原则。提高发射功率的代价往往太大了,提高 4 倍发射功率才能增加一倍距离,1W 和 4W 之间的这本帐也就能算清楚了。

    8个设计重点

接下来讨论八个设计重点:

第一点, 视频编解码

目前 1080P 图传产品所采用的编解码方案基本都是硬件方案,硬件方案的实时性会有一定优势。与其他领域的图传不同,无人机图传对时延的要求很高,尤其是 FPV 飞行。对于航拍而言,如果图传时延过大,云台手在依据视频图像控制云台过程中很容易超调。市场上的 1080P 图传产品大多采用 TI 达芬奇方案和海思方案。TI 目前还没有推出硬解的 H.265 产品,只有 H.264 的 DSP,但其通用性更强。海思 H.265 方案成本优势比较明显,开发速度更快。

就目前编解码算法而言, 将 1080P 30FPS 信号压缩到 6Mb/s码流, 其效果已经可以满足广播级应用。在不握手的无线通讯中(类似 UDP),误码事件是一定会出现的,远距离情况下误码率会非常高,而真正致命的因素则是码流中的关键信息丢失。比如帧同步数据,一旦丢失就会造成整帧丢失。必须对关键信息进行冗余处理才能适用于单向无线信道。同时接收机基带解调算法中的时钟提取,位同步,字同步,帧同步也要针对高误码率来设计,否则小的误码就会产生灾难性的图像丢失

 

上图为视频编码标准(少了H.265)

 

上图为 TI 达芬奇

 

上图为海思芯片

第二点, 低噪声放大器(LNA)

第一级 LNA 的噪声系数是整个接收机设计中决定性的一环,想实现优于 -105dBm 的接收就必须面对 LNA 带来的影响。老射频工程师会更信赖分立场效应管的窄带 LNA, 看似简单,实则复杂,通常在 ADS 上仿真或矢网上一推敲就是一个月的时间。虽然两端已经匹配到 50 欧的集成 LNA 芯片也很容易获得 0.9 以内的噪声系数(比如 HMC376,ADL5523),但与那些老射频工程师的作品比肯定还是输在了起跑线上。

  

上图分别为 ADS 仿真和 矢网 仿真

 

上图是一个射频基带到前端的整体组成

第三点, 本振(LO)

一直以来,本振的相位噪声其实并非一个对射频工程师造成困扰的问题。这里其实是个成本问题,只要你在频综上不吝惜 20 美金,就可以获得 -212dBC/Hz 的相位噪声(比如LMX2531)。如果你的本振预算只有 6 美金,选择普通 PLL ( 比如 AD4360 的 -167dBC/Hz ) 就会影响整机的信噪比。最终决定接收及灵敏度的不是射频信号的放大倍数,而是接收机的整机噪声系数和基带解调门限(信噪比)。

目前市场上的1080P 图传产品都不约而同地采用了 ADI 的小基站方案 AD9361/AD9371, 虽然价格偏贵,但相比 DAC+AD8349 和 AD8347+ADC 的方案却更容易处理了。