无人机图传及组网功能如何实现？适用频段有哪些？传输模块 ...

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自2015年无人机涌入中国市场并在随后几年迅速崛起后，逐渐在植保、航测、巡检、基础测绘、应急救灾、体育助力、VR直播、专业摄影、艺术表演等领域得到了广泛应用，为农业、民生、科技、商业等众多行业带来了极大的便利，创造了极其可观的社会价值。


无人机主要包含了飞控系统、云台+相机、无线图传三大系统。如果说飞控是无人机的“大脑”，那么图传系统就是无人机的“眼睛”，它可以将无人机所搭载的摄像机拍摄到的视频以无线方式实时传输到远距离接收器端。

无人机图传原理
无人机图传系统如果按设备通信机制类型来分类，通常可以分为模拟图传和数字图传两大类。模拟图像传输是指对时间（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，通过模拟信道传输或通过模拟记录装置实现存储的过程。数字图像传输是指数字化的图像信号经信源编码和信道编码，通过数字信道（电缆、微波、卫星和光纤等）传输，或通过数字存储、记录装置存储的过程。
#概念解读#
上面的概念是比较抽象的，所以我们引用一个通俗的例子来描述模拟传输和数字传输过程：
1，假如：A对B说一句话：123456789，需要B完整地描述给C,那么通常情况下B会将A的语气声调都记录下来，尽可能完全地将这句话转述给C，但是又由于B和C是不同地方的人，或者当时外界很嘈杂，那么C听到这句话可能就变成了113456789。
2，类似的：B可以将A的这句话记在本子上，然后再递给C，那么正常情况下C所看到的就是：123456789，但是这就可能漏掉了当时A说这句话时所包含的喜怒哀乐等各种情绪。
同样的，模拟图传和数字图传也存在类似的关系，下面从物理原理和应用特性来进行详细分析：


数字信号由于在传输中可以多次再生恢复而不降低质量。还具有易于处理、调度灵活、高质量、稳定可靠、维护方便等优于模拟传输的特点，所以工业级应用中通常都采用数字图传。
#答疑小科普1
既然数字传输是目前性能更优的主流传输方法，那么为什么模拟传输还会继续存在呢？
一是因为现存的一些通信系统依然是模拟的，有历史遗留的也有新建立的，另一个更重要的原因是：现代许多的先进数字通信系统，其中的一些单元仍然需要而且很适合于用模拟传输方法来实现，模拟传输的主要技术与方法，深刻地影响着后来的传输系统，是后续学习的基础。

无人机图传常用频段
根据《中华人民共和国无线电频率划分规定》及我国频谱使用情况，规划840.5-845MHz、1430-1444MHz和2408-2440MHz频段用于无人驾驶航空器系统。

此外，很多人为了追求穿透力会选择433MHz这个开放性频段，但是较难满足高清图传的带宽要求。另外由于其成本低，天线易小型化，便携易安装，因此成为业余无线电中最为拥挤的频段，应用环境相对较为混乱。

1.2GHz波频最连贯，大多传输器都可处理主、辅两种波频，大多1.2GHz信号的发射器都不受温差相位漂移的影响，也是微波无线视频传输器里最适合陆对陆传输的。但是1.2GHz 在世界上大多数地方属于管制频段，不同领域需要了解清楚相关使用政策。

对于高频图传，常见频段是5.8GHz，这个频段国家划分了开放的业余频段，另外频率高天线可以更加小型化，目前在5.8GHz工作的设备很少，这个频段相对比较纯静，在干扰方面，可以在一定程度上弥补穿透力差的不足。但有利有弊，频率越高电子元器件的造价越高，对天线等精度要求更高，更容易发热，对靠近发射机的导磁体比低频更敏感，做大功率更困难等。

#答疑小科普2
浅析频率与穿透力、绕射能力的关系
在上面关于频段的描述中，细心的朋友可能注意到了一个理论关系，即频率与穿透力、绕射能力的关系。因为有人说“频率越低，穿透力越强”，也有人说“频率越高，穿透力越强”，所以在这个话题上，大家容易混乱。今天我们就针对这个问题做一个说明：
对于X射线，γ射线这类高频高能射线（也是电磁波）来说，因其频率高的同时能量也极高，且波长短，投射到介质上时，仅一小部分被介质的原子“挡住”，大部分经由原子之间的缝隙“穿过”，从而表现出很强的穿透能力。墙面等障碍物可以视为不均匀的有电阻率的介质。
对于通信行业用到的无线电波来说，由于频率并不够高，波长远大于介质的分子间隙，所以在穿透时会发生很大的能量损耗。电磁波频率越高，则波长越短，波峰和波谷离得越近，介质中某一点附近电场的差异就越大，相应电流就越大，所以损耗在介质里的能量就越多。所以高频的穿透能力比低频弱。
无线电波还有衍射现象（即绕射）。频率越高，波长越短，衍射越不明显，绕射能力越弱。频率越低，波长越长，衍射越明显，绕射能力越强。
所以对于手机信号来说，低频的穿透能力和绕射能力都强于高频。

无人机图传主流技术
无人机图传系统采用了适当的视频压缩、信号处理、信道编码以及调制解调技术。
其中涉及到的OFDM（正交频分复用）技术是最为典型的实现多载波传输方案的技术之一，它可以有效对抗多径干扰(ISI)，且可以自适应选择调制与编码从而提高系统容量，因此被广泛引用于多种图/数传产品中。此外，QPSK （正交相移键控），也是一种常见的数字信号调制方式，具有较高的频谱利用率、较强的抗干扰性，在电路上实现也较为简单。MIMO（多入多出），是一种相当复杂的天线分集技术，主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码。它利用多径效应来改善通信质量，极大地提高了信道容量，具有极高的频谱利用效率，因此被广泛开发应用到各种高速无线通信系统中。
除了以上的信道编码及调制解调技术，部分无人机图传场景也可能涉及到Wi-Fi等无线局域网技术。Wi-Fi早年采用扩频方案，后随着技术发展开始采用OFDM、CCK（补码键控调制）等调制方案，近年来又逐渐引入MIMO概念。Wi-Fi无线协议标准自1997年开始也经过了802.11、802.11a/b/g/n/ac/ax等各种版本的演变，并逐步实现了更大的带宽、更高的传输速率。但基于TCP/IP协议的双向握手机制很容易导致Wi-Fi图传无法实时传输航拍画面，通常无法解决大延时的多径问题，其协议为了追求传输速度和成本，只考虑了小空间范围内的传播延时，这也是Wi-Fi不适合远距离实时通讯的一个重要原因。

//技术科普之——OFDM
OFDM技术是有效应对宽带信道复杂情况、实现多载波通信最常见的方法， 其基本原理是：把宽带信道分割为窄小的正交子带，把一条高速传输流变为并行的多条低速流。串行流中的某个信号从不平坦的复杂宽信道转换到子信道传输时，它的频响就近似于平坦，接收信号就相当于是一个简单的增益的一个噪声，这样码间干扰问题就容易解决了。从时域上来讲，因为是高速的串行流，原来的时序相当窄，信道的展宽明显宽于它，这样码间干扰就很严重。如果我们划分为K个子信道，每个子信道的传输速率就只需要分摊1/K，而它的码元宽度就可以扩宽K倍，恰当选择K值，就可以使码元宽度明显宽于信道展宽，这样码间干扰就削弱了。现代的OFDM技术又应用了正交子载波方案和快速傅立叶变换（FFT）两个措施，解决了子信道之间留保护间隔造成的频带浪费以及并行单元导致的系统庞杂问题，更趋于实用化。


无人机图传系统构成
在无人机场景时，通常将位于机载平台上的图传模块称为天空端，位于地面控制站的图传模块称为地面端，单向大码流数据的通信方向为天空端到地面端。


天空端到地面端：通过 IP 网口支持大码流数据发送，可用于视频通信等业务；同时通过控制接口支持独立的控制信道，可用于控制信息的通信。 地面端到天空端：通过 IP 网口支持小码流数据发送，可用于与天空端 IP 网口的数据形成双向通信；同时通过控制接口支持控制信息，与天空端发送的控制信息可形成双向通信。
无人机图传产品选择
目前市面上的无线图传模块层出不穷，但产品质量参差不齐。是否具有经得起市场考验的核心技术至为关键。希诺麦田的点对点无线图像/数据通信模块（简称“无线图/数传”）——LENA系列产品，是基于全自主知识产权研发、专门针对行业级应用而设计的，可以广泛应用于无人机、地面机器人以及其他通信数据链场景。









（以上所列证书仅为部分）

LENA融合了4G、5G、WIFI等通信制式的优点，采用软件无线电架构及OFDM技术，具有抗多径干扰、远距离传输、低延时、绕射性能强、大数据带宽通信、应用灵活等特性。适用于1.40-1.46GHz工作频段（其余频段可定制），信号带宽4MHz、8MHz、10MHz、14MHz、20MHz可选，采用AES 256bit加密标准进行物理层加密。


按照不同的型号和功率等级，可以分别支持空地30km、50km、70km、100km、200km等中远距离传输场景（一般为带宽5Mbps以上）；同时也可以支持30Mbps以上的超大带宽数据回传的通信场景。根据实际应用场景需求，可配置全向天线或定向天线及天线伺服转台实现传输目标。

无人机组网应用
除了点对点图传，希诺麦田基于全自研的物理层、数据链路层研发的HEPBURN系列产品也可以实现无人机的无线自组网功能，是适配于多种复杂通信场景的 Mesh 自组网模块。（无线Mesh组网详解指路Sinomartin前期推文：一文看懂Mesh组网，安排！）



无人机组网示意图

该系列产品采用软件定义无线电架构，可临时、动态、快速构建分布式无中心的自治性网络，具有自组织、自恢复、高抗毁等许多优点，可以支持无人机临时加入和退出，多跳自动路由中继，网络拓扑动态变化，速率自适应，带宽按需分配等，非常适合无人机集群协同通信。应用领域包括但不限于环保、消防、电力巡检、公路巡线、水文监测、应急通信、无人机集群协同工作统一控制等。
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