多旋翼无人机的组成解析“图传”篇(一)
多旋翼无人机的组成解析
“图传”篇（一）
有段时间没更新了，这次要讲述的是无人机上的通信系统之一—图传设备，文章由于篇幅会做成多篇。此篇为图传系列第一篇。
今天的文章结构如下：
1. 什么是无人机图传
2. 无人机图传的意义
3. 无人机图传的组成和分类
4. 图传相关通信基础知识
4.1. 何为模拟，何为数字
4.2. 信源、信道和信宿
4.3. 模拟/数字通信系统模型
4.4. 信源编码和信道编码
5. 模拟图传V.S.数字图传
5.1. 优缺点分析
5.2. 画面比较
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什么是无人机图传
无人机图传即无人机的无线图像传输系统，它将无人机搭载摄像机所拍摄的视频画面以无线方式实时传输到远距离的地面接收端。
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无人机图传的意义
借助无人机，可以到达我们平常难以企及的位置并进行拍摄，再由图传设备将图像和视频实时传输到地面，我们将获得无人机现场的第一视角画面，从而运用于军事、生产和生活的方方面面。
图01 无人机图传应用（军事情报侦查、专业航拍测绘、森林智能巡检、工业电力巡检、工业风机巡检、交通拍照取证）
无人机图传系统是无人机的重要组成部分。古人云“世之奇伟、瑰怪、非常之观，常在于险远，而人之所罕至焉，故非有志者不能至也”，如果说无人机帮我们到达了更深更远的世界，而无人机图传作为无人机的“眼睛”，则帮我们可以看得更远。
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无人机图传的组成和分类
无人机图传系统由天空端（发射机）、地面端（接收机）和显示端（地面站或远端显示器）组成。连接方式如下：
天空端安装在无人机上，天空端和摄像机均以有线方式与无人机连接；
地面端与无人机的地面站通过有线方式连接；
天空端与地面端通过无线方式连接。
图02 无人机图传系统的组成
图03 无人机图传实物图（大疆产品，图传发射机、图传接收机和图传高亮监视器，售价¥5999、¥7999和¥7999）
无人机上的摄像机采集到图像和视频信息后，由天空端以无线信号的形式发射出去。
地面端接收天空端发射的信号，并对其进行还原处理，然后发送给显示端。
显示端将地面端还原的图像和视频信息显示出来供查看。一般由地面站充当图传显示端，也可以由远端显示设备作为图传显示端。
无人机图传的天空端与地面端通过无线方式连接，即无人机图传属于无线图传。
我们在《通信原理》中学习过通信系统的概念：“通信的目的是传输信息。通信系统的作用就是将信息从信源发送到一个或多个目的地。”（见樊昌信版本《通信原理》第6版“1.2 通信系统的组成”）
而无人机图传系统是将无人机拍摄的图像和视频信息传输到远端地面显示，因此，我们可以将无人机图传系统也看作一个通信系统。通信系统通常分为模拟通信系统和数字通信系统，相应地，按照信道中传输信号的不同，无人机图传系统可分为模拟图传和数字图传两大类。
下面我们先回顾学习下无线图传相关的通信基础知识。
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图传相关通信基础知识
4.1 何为模拟，何为数字？
模拟信号是指时间和幅度都为连续值的信号。连续的含义是其在某一取值范围内可以取无限多个数值。例如语音信号、摄像机产生的图像信号以及遥测、遥控等信号。
图04 模拟信号示意图
数字信号是指时间和幅度都为离散值的信号，特点是其幅值被限制在有限个数值内，且不是时间的连续函数。例如计算机信号、数字电话信号以及数字电视信号等。最常用的数字信号是二进制信号。
图05 数字信号示意图
图06 数字信号和模拟信号的对比
可以看出，模拟信号的取值是连续可变的，而数字信号的取值仅在一组离散值上。
根据以上分析，也就是说，模拟图传通过模拟信道传输图像信号，数字图传通过数字信道传输图像信号。
上面讲到“信道”这个词，这里我们再回顾下信道的相关概念。
4.2 信源、信道和信宿
通信系统的模型通常如07图所示。
图07 通信系统模型
通信系统各部分的功能如下。
信源是指发出信息的信息源，即信息的发出者/产生各种信息的源头。它将输入信息转换成电信号。信源可以是连续的模拟信息源，也可以是离散的数字信息源。
发送设备的作用是产生适合于在信道中传输的信号，可能包含变换、放大、滤波、编码、调制等过程。
信道是指信号的传输媒介。
（1）按传输媒介的种类划分，信道可分为有线信道和无线信道。有线信道利用实际看得见的媒介来传输信号，如明线、电缆、光纤等；无线信道则利用电磁波在空间中的传播来传输信号。
（2）按传输信号的形式划分，信道可分为模拟信道和数字信道。
接收设备的功能是将信号放大和反变换（如译码、解调等），其目的是从受到减损的接收信号中正确恢复出原始电信号。
信宿是指信息传输的归宿，即信息的接收者，它将复原的原始电信号转换成相应的信息，是信息动态运行一个完整周期的最终环节。
噪声来自通信系统的各个部分，从发出信息和接收信息的周围环境、各种设备的电子器件，到信道所受到的外部磁场干扰，都会产生噪声。
了解了通信系统模型，让我们来对模拟图传和数字图传做一个更为详细的定义。
模拟图传对时间（包括空间）和幅度连续变化的模拟图像信号作信源和信道处理，通过模拟信道传输图像信号。
数字图传将数字化的图像信号经信源编码和信道编码，通过数字信道传输，接收端对接收的信号进行解码和转换操作，从而将数字信号转化为可视图像内容。
4.3 模拟/数字通信系统模型
在模拟通信系统中，信号需要经历两次变换和反变换的过程。
(1) 第一次变换和反变换：以模拟图传系统为例，首先，天空端的连续图像信息要变换成原始电信号，而地面端要将接收到的电信号反变换成原连续信息。
(2) 第二次变换和反变换：由于原始电信号通常具有频率很低的频谱分量，一般不适宜直接传输。因此，原始电信号要经历第二次变换，即天空端将原始电信号变换成适合信道传输的信号，并在地面端进行反变换成原连续信息。
通常我们称这第二次变换为调制，称这第二次反变换为解调。
模拟通信系统模型如图08所示。
图08 模拟通信系统模型
而对数字通信系统来说，除了调制和解调，还需要以下处理：
(1) 为了能在数字信道中传输原始的模拟图像信号，必须使模拟信号数字化；同时为提高信息传输的有效性，需要减少码元数目以降低码元速率，即进行压缩编码。这是信源编码。
(2) 通过在传输数据中加入冗余信息，使得接收端能够检测和纠正部分错误，从而提高数据传输的可靠性、降低干扰，这是信道编码。
数字通信系统模型如图09所示。
图09 数字通信系统模型
4.4 信源编码和信道编码
通过前面可以得出，信源编码有两个基本功能—模拟信号数字化和信源压缩。信源的模拟信号完成数字化后，需要对图像信息进行压缩和编码以有效减少数据的冗余，从而减少信号传输所需的带宽和存储空间、提高数据传输的效率、减少传输延迟。
简而言之，用最少的码字最安全地传输最大的信息量。我们日常生活中对物品进行打包处理，就是信源编码的一个形象比喻。
图10 信源编码—对信息进行“打包”
信道编码的作用是差错控制，提升传输的可靠性。在传输过程中由于噪声和干扰的存在，信号容易产生差错，即发送的码元与信道传输后所接收的码元之间存在差异。为减小这种差错，需要根据一定的规律在待发送的信息码元中加入一些保护成分（监督码元），即增加一定的冗余来增加抗噪声能力，以使接收端能发现错误或纠正错误，恢复信息。
重复编码就是信道编码中的一种，它是将信息进行一定的重复，例如，发送端发送一个二进制序列“101”，通过重复编码变为“101101101”。这种信道编码方法简单易实现，但传输效率低下。除了重复编码，还有哈明编码、CRC编码、卷积编码、Turbo编码等，在此不作详细。
通信的目的在于传递信息，对于一个通信系统来说，衡量通信系统性能的主要指标是有效性和可靠性。信源编码主要是提高信息传输的有效性，信道编码则主要是提高信号传输的可靠性。
了解完图传的相关通信基础知识，下面我们来讨论模拟图传和数字图传。
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模拟图传V.S.数字图传
5.1 优缺点分析
对于模拟图传系统来说，只需要将发送端和接收端的工作频率调成一致，信号就可以进行传输，通过搭配不同的天线可实现不同的接收效果。模拟图传不像数字图传，数字图传需要对信号做编/解码的过程，这从原理上决定了模拟图传的延迟较低，但模拟通信技术的保密性差和抗干扰能力弱，约束了模拟图传的发展。
保密性差是指当两个模拟图传系统工作频率相同时，很容易造成本机信号被对方窃取；
抗干扰能力弱则是指模拟信号在传输的过程中比较容易受到外界环境和传输系统内部产生的各种噪声的干扰，导致接收设备难以区分信号和噪声。
而数字图传系统在很大程度上避免了模拟图传系统中存在的上述缺点。例如，
信号发送端需要对信号进行加密处理，而接收端也必须有相应的密码来进行解密处理才可以接收到数据信号，这样就能解决数据的保密性问题；
使用编码技术和子信道，帮助信号接收端区别噪声并进行纠错，保证接收信号的完整性和连续性，这样就能解决数据的抗干扰性问题。
模拟图传系统设备简单、价格较低，信号实时性强、延迟小，方便多点观看（只要接收端的频率和发射端一致，就可以接收到视频信号），但图像质量较差（最大能达到720p或1080p），视频回看较为不便，易受到同频干扰（若两个发射端的频率接近，很有可能导致本机的视频信号被他人的图传信号插入，从而产生干扰）。
模拟图传多为早期无人机图传设备或追求速度的穿越机使用。
数字图传系统抗干扰性强，图像质量高（中高端数字图传系统分辨率可达4K甚至8K），可实时回看图像，但部分低端产品的有效距离短、图像延迟大、在显示端手机/平板电脑的兼容性上适配较差，而中高端产品可以在传输距离、图像延迟、兼容性等方面做到平衡，但价格昂贵。
数字图传多用在除穿越机以外的消费类无人机和工业级无人机上。例如，目前主流的航拍无人机都是采用数字图传方式。
5.2 画面比较
这里使用相同场景的画面来给模拟图传和数字图传做个对比。
图11 模拟图传V.S.数字图传画面
根据以上画面质量对比，可以看出模拟图传画面较为柔和、清晰度低、伴有雪花点即噪点，而数字图传画面棱角更为鲜明，清晰度高。
我们参考b站上一个对模拟图传做拉距测试的视频，该视频中使用的模拟图传距离极限为6km，起飞后随着距离的拉远，突破3km后，图传画面开始出现雪花；突破4km后，图传受到严重干扰；突破5km后，图传信号越来越微弱；突破6km后，图传信号出现越来越多的雪花点。
图12 模拟图传1~6公里传输距离画面对比
观看视频更清楚，点击以下链接：
而数字图传到达极限距离时，画面会出现卡顿（即丢帧），然后画面直接黑屏。
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总结
以上就是无人机图传的第一篇介绍内容，总结如下：
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