标题:
揭秘無人機設計：2.4GHz全高清圖像傳輸系統
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作者:
hrconn
时间:
2015-7-3 17:12
标题:
揭秘無人機設計：2.4GHz全高清圖像傳輸系統
如果說中國無人機制造商大疆創新的巨大估值和營收說明了什麽，那就是無人機正日益變成一樁大生意。無人機現在已經引來衆多資本競相追逐，除此之外，各大半導體公司也都加快速度布局這一千億級的市場，開發適合無人機應用的創新産品和技術。某知名無人機産品硬件供應商之一，世強的技術專家將在這一系列文章中獨家闡述先進的無人機産品內部的硬件電路設計和相關方案技術。
當我們把目前主流的無人機的內部電路板拆解開來後，您會發現無人機的電路控制系統主要由三大部分組成：飛控系統、雲台+相機、圖像傳輸系統。而我們的這一無人機電路系統系列的三篇文章也將分別對應這三個部分。
圖1. FPV無人機的內部電路系統結構圖
無人機能夠一躍進入大衆視野並迅速升溫，是很多人始料未及的。從剛開始的空中攝錄，到後來的實時攝錄，方便的圖像傳輸功能無疑爲無人機加足了籌碼，賺足了眼球。在第一篇文章中，作者將爲您分析無人機的圖傳實現技術。
2.4GHz全高清無人機圖傳系統是主流
在無人機的視頻傳輸方面，高配的圖傳系統已經可實現5km/1080P 30fps傳輸，但這是衆多國內娛樂無人機廠商還沒有做到的。一般的做法是在雲台搭載相機，高空拍攝再飛回地面檢查。這種方式由于不能即時看到拍攝畫面，所以還不能滿足航拍的要求。
“當然目前也有不少方案是采用5.8GHz頻段傳輸模擬視頻到地面，最遠距離能達600多米。但這種方式需要在飛行器上將高清(1080P或4K)轉碼成 720P，再轉成數字信號傳輸到遙控器顯示屏上，技術上也較複雜，並且畫面會有馬賽克、停頓或卡死。畫面質量也不夠好，用到專業航拍還有距離，適合普通愛 好者娛樂。” 世強産品總監陽忠介紹說。
2.4GHz是目前無人機市場比較主流采用的頻段。在大疆最新發布的Phantom 3上，就搭載了備受好評的DJI Lightbridg全高清數字圖像傳輸系統，其內置了 2.4G 遙控鏈路，其高配方案實測有效傳輸距離高達5km，標配也達到了1.7Km。“圖像傳輸系統的性能是區分無人機檔次的一個關鍵因素。圖像傳輸距離的遠近，圖像傳輸質量的好壞，圖像傳輸的穩定性等是衡量無人機圖傳性能的關鍵因素。”陽忠說。
簡而言之，無人機圖像傳輸系統就是將天空中處于飛行狀態的無人機所拍攝的畫面實時穩定的發射給地面無線圖傳遙控接收設備。圖像傳輸的實時性、穩定性是關鍵。如下圖4所示爲目前主流的無人機遙控器/高清圖傳線路框圖。其組成部分主要由發射端、接收端和顯示端三部分組成。
無人機圖傳系統的核心器件——2.4GHz傳輸器
2.4GHz傳輸器是無人機圖傳系統的核心器件。雖然433MHz頻段穿透性強，通訊距離遠，可以最遠傳輸達2 公裏，但由于其抗幹擾能力弱，遙控無人機或飛行器上都不太采用。目前專業WiFi芯片廠商(包括博通與高通)都還沒有開發出這種遠距離無線高清視頻傳輸的芯片。但是無人機市場如此火熱，無線芯片廠商已經在著手計劃推出專用芯片。未來我們也許會看到能同時與控制器和顯示器建立鏈路的雙模芯片組。
但在專用芯片推出之前，RF工程師可以通過分立器件去實現遠距離高帶寬的無線視頻傳輸。應用于無人機上的 2.4GHz傳輸器IC必須具備高接收靈敏度、低功耗、小體積以及各種先進的信道管理能力。世強代理的賽普拉斯(Cypress)2.4-GHz單芯片無線電收發器Wireless USB已經開始用于無人機上，在控制信號傳輸和視頻傳輸上均有成功應用。而賽普拉斯最新的第四代Wireless USB NX收發器不僅繼承了一貫的超低功耗優良性能特性，而且其2Mbps的數據速率可最大限度的減少發送和接收時間。在2.4GHz ISM頻段下，相比競爭對手，可提供更高集成度和最佳性價比。
當然，與2.4GHz收發器配合使用的板材選擇也非常重要。“射頻電路設計一直是系統設計中的難點，這除了需要高接收靈敏度的射頻收發器外，還需要專業的高性能微波板材與之配合。我們代理的羅傑斯高性能微波板材就特別適合與2.4GHz收發器配合，應用在無人機的圖像傳輸系統中。例如，RO4350已經成功應用到了國內某知名廠商的無人機圖傳系統中。” 陽忠特別告知說。
高性能的PA/LNA/ FILTER IC 確保遠距離傳輸、抗幹擾
在與2.4GHz的傳輸器IC的配合中，高性能的PA/LNA/ FILTER IC也是必不可少的。據悉，世強代理的Avago一系列PA/LNA/ FILTER IC已經廣泛應用于無人機圖傳系統中。這些器件包括：MGA-22003、MGA-64606、MGA-675T6、MGA-25203、MGA-412P8、ACFF-1024、ALM-1912等。
MGA-22003線性功率放大器模塊是確保圖像能遠距離傳輸的關鍵器件，在任何負荷或條件下都可保持穩定，而且其3x3 毫米的封裝非常適合無人機空間受限的應用。
而面向2.4GHz頻段應用設計的微型化帶通濾波器ACFF-1024則非常適合應用在無人機圖傳系統中以去除外部幹擾。它可以解決 WiFi/Bluetooth和其他無線通訊標准同時運行的問題，不會因相鄰無線射頻幹擾影響性能。
經濟實惠、易于使用的 GaAs MMIC低噪聲放大器 (LNA) MGA-64606也是衆多無人機産品優選的器件。“MGA-64606 通過采用 Avago專有的 0.25um GaAs 增強模式 pHEMT 工藝，來達到低噪聲系數和高線性的特點。能夠提高無人機圖傳系統的整個接受信號靈敏度。”陽忠指出。“關鍵是它還具有可切換式關閉和旁路功能，以便可以在輸入信號功率較高時繞過。這項特性可以減少電流消耗，延長設備的電池壽命，對于無人機來說是非常有意義的。”
小占用面積、小尺寸、內嵌功率偵測電路、電源關閉功能以及絕佳的功率效率使得無線局域網 (WLAN) 功率放大器MGA-412P8 成爲移動 IEEE 802.11b g WLAN 應用的理想選擇。它在 3% EVM 54Mbps 數據傳輸率 (OFDM 調制) 時，線性輸出功率爲 19.0 dBm，在 11Mbps (CCCK 調制) 時，線性輸出功率爲 23dBm。而在某些5.8GHz圖傳系統中，諸如MGA-675T6 LNA和MGA-25203 PA等也是完全可以滿足性能需求的。
滿足無人機苛刻工作環境的電源和晶體振蕩器
電源和晶體振蕩器爲電路系統提供動力和時鍾參考。而無人機對電源的要求十分苛刻，除了要確保低功耗高效率外，在無人機圖傳系統中，還必須具有高的紋波抑制比。世強代理的LDO電壓調節器非常適合應用在無人機接收端的遙控器中，而且世強還能爲客戶提供從電源到電池保護的整體方案，幫助客戶選型。
另一方面，由于飛行器的應用場景一般都是戶外，客戶勢必會做全溫範圍內的溫度補償，目前晶體振蕩器行業裏比較領先的是EPSON(愛普生)的高精度溫補晶振(TCXO)技術，其精度高達2ppm，完全能夠滿足無人機工作場景的環境要求。
豐富的資源全面支持無人機項目設計
“作爲國內某知名無人機廠商的硬件供應商之一，世強除了能夠提供給客戶高性價比的全信號鏈産品方案之外，更能在客戶項目的開始階段就深入做技術支持，我們能夠根據客戶新的項目特點推薦新的器件，給出建議，和客戶項目工程師深入交流。”陽忠指出，“特別的，在無人機圖傳系統的射頻技術方面，我們有專門的射頻實驗室可以提供給客戶免費使用，更有工作十幾年、擁有豐富經驗的RF工程師解決您的技術難題。”
圖2. 射頻實驗室工作台
小結：
燦達電子連接器認為，盡管現在的無人機市場還比較小衆，不過自2014年已經開始了爆發式增長的階段。在大疆之後，更多的企業進入了這一高速成長的市場。出貨量從以前的百K級以內增長到現在的百K/年，相比以前已經有10倍的增長。不過，續航時間、載重能力仍然是現在無人機廠商需要面對的挑戰。但可以預見，無人機市場的潛力仍然巨大，前途依舊不可估量。
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