無人機(jī)圖傳射頻鏈路揭秘

如果說中國(guó)無人機(jī)制造商大疆創(chuàng)新的巨大估值和營(yíng)收說明了什么,那就是無人機(jī)正日益變成一樁大生意。無人機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)引來眾多資本競(jìng)相追逐,除此之外,各大半導(dǎo)體公司也都加快速度布局這一千億級(jí)的市場(chǎng),開發(fā)適合無人機(jī)應(yīng)用的創(chuàng)新產(chǎn)品和技術(shù)。

當(dāng)我們把目前主流的無人機(jī)的內(nèi)部電路板拆解開來后,您會(huì)發(fā)現(xiàn)無人機(jī)的電路控制系統(tǒng)主要由三大部分組成:飛控系統(tǒng)、云臺(tái)+相機(jī)、圖像傳輸系統(tǒng)。本文將為您分析無人機(jī)圖傳中的射頻技術(shù)。

在無人機(jī)的視頻傳輸方面,高配的圖傳系統(tǒng)已經(jīng)可實(shí)現(xiàn)5km/1080P30fps傳輸,但這是眾多國(guó)內(nèi)娛樂無人機(jī)廠商還沒有做到的。一般的做法是在云臺(tái)搭載相機(jī),高空拍攝再飛回地面檢查。這種方式由于不能即時(shí)看到拍攝畫面,所以還不能滿足航拍的要求。

“當(dāng)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(yuǎn)距離能達(dá)600多米。但這種方式需要在飛行器上將高清(1080P或4K)轉(zhuǎn)碼成720P,再轉(zhuǎn)成數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)竭b控器顯示屏上,技術(shù)上也較復(fù)雜,并且畫面會(huì)有馬賽克、停頓或卡死。畫面質(zhì)量也不夠好,用到專業(yè)航拍還有距離,適合普通愛好者娛樂?！?

2.4GHz是目前無人機(jī)市場(chǎng)比較主流采用的頻段。在大疆的Phantom3上,就搭載了備受好評(píng)的DJI Lightbridg全高清數(shù)字圖像傳輸系統(tǒng),其內(nèi)置了2.4G遙控鏈路,其高配方案實(shí)測(cè)有效傳輸距離高達(dá)5km,標(biāo)配也達(dá)到了1.7Km?！皥D像傳輸系統(tǒng)的性能是區(qū)分無人機(jī)檔次的一個(gè)關(guān)鍵因素。圖像傳輸距離的遠(yuǎn)近,圖像傳輸質(zhì)量的好壞,圖像傳輸?shù)姆€(wěn)定性等是衡量無人機(jī)圖傳性能的關(guān)鍵因素?！?

簡(jiǎn)而言之,無人機(jī)圖像傳輸系統(tǒng)就是將天空中處于飛行狀態(tài)的無人機(jī)所拍攝的畫面實(shí)時(shí)穩(wěn)定的發(fā)射給地面無線圖傳遙控接收設(shè)備。圖像傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、穩(wěn)定性是關(guān)鍵。

2.4GHz傳輸器是無人機(jī)圖傳系統(tǒng)的核心器件。雖然433MHz頻段穿透性強(qiáng),通訊距離遠(yuǎn),可以最遠(yuǎn)傳輸達(dá)2公里,但由于其抗干擾能力弱,遙控?zé)o人機(jī)或飛行器上都不太采用。目前專業(yè)WiFi芯片廠商(包括博通與高通)都還沒有開發(fā)出這種遠(yuǎn)距離無線高清視頻傳輸?shù)男酒?。但是無人機(jī)市場(chǎng)如此火熱,無線芯片廠商已經(jīng)在著手計(jì)劃推出專用芯片。未來我們也許會(huì)看到能同時(shí)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高帶寬的無線視頻傳輸。應(yīng)用于無人機(jī)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(jìn)的信道管理能力。賽普拉斯2.4-GHz單芯片無線電收發(fā)器WirelessUSB已經(jīng)開始用于無人機(jī)上,在控制信號(hào)傳輸和視頻傳輸上均有成功應(yīng)用。而賽普拉斯最新的第四代WirelessUSBNX收發(fā)器不僅繼承了一貫的超低功耗優(yōu)良性能特性,而且其2Mbps的數(shù)據(jù)速率可最大限度的減少發(fā)送和接收時(shí)間。在2.4GHzISM頻段下,相比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手,可提供更高集成度和最佳性價(jià)比。

當(dāng)然,與2.4GHz收發(fā)器配合使用的板材選擇也非常重要?！吧漕l電路設(shè)計(jì)一直是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難點(diǎn),這除了需要高接收靈敏度的射頻收發(fā)器外,還需要專業(yè)的高性能微波板材與之配合。羅杰斯高性能微波板材就特別適合與2.4GHz收發(fā)器配合,應(yīng)用在無人機(jī)的圖像傳輸系統(tǒng)中。例如,RO4350已經(jīng)成功應(yīng)用到了國(guó)內(nèi)某知名廠商的無人機(jī)圖傳系統(tǒng)中?！?

在與2.4GHz的傳輸器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已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無人機(jī)圖傳系統(tǒng)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(yuǎn)距離傳輸?shù)年P(guān)鍵器件,在任何負(fù)荷或條件下都可保持穩(wěn)定,而且其3x3毫米的封裝非常適合無人機(jī)空間受限的應(yīng)用。

而面向2.4GHz頻段應(yīng)用設(shè)計(jì)的微型化帶通濾波器ACFF-1024則非常適合應(yīng)用在無人機(jī)圖傳系統(tǒng)中以去除外部干擾。它可以解決WiFi/Bluetooth和其他無線通訊標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)運(yùn)行的問題,不會(huì)因相鄰無線射頻干擾影響性能。

經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、易于使用的GaAsMMIC低噪聲放大器(LNA)MGA-64606也是眾多無人機(jī)產(chǎn)品優(yōu)選的器件?！癕GA-64606通過采用Avago專有的0.25umGaAs增強(qiáng)模式pHEMT工藝,來達(dá)到低噪聲系數(shù)和高線性的特點(diǎn)。能夠提高無人機(jī)圖傳系統(tǒng)的整個(gè)接受信號(hào)靈敏度,關(guān)鍵是它還具有可切換式關(guān)閉和旁路功能,以便可以在輸入信號(hào)功率較高時(shí)繞過。這項(xiàng)特性可以減少電流消耗,延長(zhǎng)設(shè)備的電池壽命,對(duì)于無人機(jī)來說是非常有意義的?！?

小占用面積、小尺寸、內(nèi)嵌功率偵測(cè)電路、電源關(guān)閉功能以及絕佳的功率效率使得無線局域網(wǎng)(WLAN)功率放大器MGA-412P8成為移動(dòng)IEEE802.11bgWLAN應(yīng)用的理想選擇。它在3%EVM54Mbps數(shù)據(jù)傳輸率(OFDM調(diào)制)時(shí),線性輸出功率為19.0dBm,在11Mbps(CCCK調(diào)制)時(shí),線性輸出功率為23dBm。而在某些5.8GHz圖傳系統(tǒng)中,諸如MGA-675T6LNA和MGA-25203PA等也是完全可以滿足性能需求的。

電源和晶體振蕩器為電路系統(tǒng)提供動(dòng)力和時(shí)鐘參考。而無人機(jī)對(duì)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(jī)圖傳系統(tǒng)中,需要注意的是LDO還必須具有高的紋波抑制比。

另一方面,由于飛行器的應(yīng)用場(chǎng)景一般都是戶外,客戶勢(shì)必會(huì)做全溫范圍內(nèi)的溫度補(bǔ)償,目前晶體振蕩器行業(yè)里比較領(lǐng)先的是EPSON(愛普生)的高精度溫補(bǔ)晶振(TCXO)技術(shù),其精度高達(dá)2ppm,完全能夠滿足無人機(jī)工作場(chǎng)景的環(huán)境要求。

小結(jié):

盡管現(xiàn)在的無人機(jī)市場(chǎng)還比較小眾,不過自2014年已經(jīng)開始了爆發(fā)式增長(zhǎng)的階段。在大疆之后,更多的企業(yè)進(jìn)入了這一高速成長(zhǎng)的市場(chǎng)。出貨量從以前的百K級(jí)以內(nèi)增長(zhǎng)到現(xiàn)在的百K/年,相比以前已經(jīng)有10倍的增長(zhǎng)。不過,續(xù)航時(shí)間、載重能力仍然是現(xiàn)在無人機(jī)廠商需要面對(duì)的挑戰(zhàn)。但可以預(yù)見,無人機(jī)市場(chǎng)的潛力仍然巨大,前途依舊不可估量。