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自从大江新一代微型飞行器的关键特性之一“7公里地图传输”问世以来，人们对无人机的远程地图传输功能产生了浓厚的兴趣。围绕这个课题，我们最近在第63届硬创公开课上讨论了无人机远程图像传输的一些实现方法。
然而，作为消费无人机的关键技术障碍之一，远程无线图像传输功能一直是无人机行业技术发展的重点，也是极客和朋友们迫切关注的技术课题。人们希望从技术实现的角度，用公式和原理对这一课题进行更深入、更细致的探讨。因此，今天我们很幸运地迎来了一位业内人士，他将从技术细节上介绍图像传输系统设计中的一个核心问题、两条设计红线、四个基本设计参数、八个设计重点和一个相关的设计建议。
客人介绍
张欣，北京凌河机电总工，中国航天第九研究院副研究员，电气测量仪器专家。他参与开发了几种类型的空间TT&C和通信设备。他也是一个20多年的老模型飞机爱好者。
这个公开课是以演讲的形式进行的。以下是张欣的原话:
一个核心问题和两条设计红线可以从“图像传输”的名称中找到，这不是一个专业的定义。可能是从一些经验丰富的模型飞机玩家发展而来的，它只存在于消费无人机领域。专业航空航天空航天器没有独立的视频和图像传输设备，而实时视频是无线数据链路传输的一部分或通道之一，已被纳入空间遥测系统。
无人机发射遥测信号(包括视频图像和各种传感信息)。地面遥测接收系统通常包括自动跟踪天线阵和同步多通道接收机。在接收数据的同时，可以实时计算无人机的位置、速度、航向等信息。这也是最传统和最古老的遥测模式之一。在没有全球定位系统的时代，除了光学测量，我们只能依靠无线电遥测数据。这种模式是被动雷达。
随着卫星导航的发展，大多数无人机使用全球定位系统和卫星数据链，但直接遥测技术无法替代。几十年来，作为航天大国，国内遥测遥控水平一直处于世界第一梯队。作为其通信系统的一部分，图像传输设备也得到了充分的发展。150公里以上的中程无人机图像传输非常普遍，但100多万的价格相对昂贵。
因此，有足够的东西可供消费无人机借鉴。我认为消费类无人机图形传输设计的核心问题只是“成本问题”。没有必要怀疑它能通信多快多远，因为随着今天无线通信技术的发展，没有人会怀疑火星发回的1080p信号。我们真正想讨论的是成本。目前，市场上1080p图形传输产品的价格基本不到1700美元，将硬件成本控制在700美元以内已经成为消费类无人机图形传输设计的第一道红线。
当然，还有第二条红线，那就是法律法规。中国无线电管理的最高法律文件是《中华人民共和国无线电管理条例》。立法机构是国务院和中央军事委员会，受各级无线电管理机构的监督。如果用户想单独申请图片传输的许可证，他需要首先获得无线电传输设备型号批准证书，该证书是基于国家无线电频率划分条例中无线电传输设备的技术规范。获得专业电台执照并非不可能，但在消费无人机领域却没有办法推广。
对于专业航空空航天器，专门的测量和控制频带被保留用于频谱划分，而消费无人机只能诚实地服从ITU-R(国际电联无线电通信部门)的ism频带(工业科学医学)。13.56mhz、27.12mhz、40.68mhz、433mhz、915mhz、2.4ghz和5.8ghz均在1w内传输，无需许可。其中，433mhz以下的频带通常难以满足高清图像传输的带宽要求，915mhz的频带有一半被gsm占用，L波的带宽不丰富，S波段的2.4ghz成为1080p获得长距离的首选。然而，对于4k或更高清晰度的图像传输的设计者来说，很难在S波段找到更便宜的带宽，而在C波段的5.8g带宽可以做得更宽。然而，在相同的发射功率和接收灵敏度下，5.8g的通信距离只有2.4g的41.4%，其衰减对水分更敏感，实际通信距离小于30%。两者各有利弊。
【编者按】:这里提到的L波段、S波段和C波段通常分为以下几种:
第二条红线的四个基本设计参数基本上决定了两个参数:
第一个参数:1w传输功率(+30dbm)
第二个参数:ism频段为2.4g或5.8g
也许很多工程师会对我确定1w的传输功率感到失望，所以让我们让他们重拾信心，看看未来通信距离能实现多远。继续设置两个参数:
第三个参数:-105dbm接收灵敏度
第四个参数:3dbi发射和接收天线(很难找到比这个指数更差的天线)
根据自由空:之间的无线电波传播定律
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)
30 DBM-(-105 DBM)+3dbi+3dbi = 32.44+20 * LG(2400 MHz)+20 * LG(d)
实际通信距离d = 111.6km公里，无3db雨衰减，3db余量约为50公里。这个结果会恢复你对1w传输功率的信心吗？毕竟，我们只使用最常见的3dbi天线。每个人一定都注意到了-105dbm的接收灵敏度。是的，这是成功的关键。许多廉价的数码照片是由wifi设备或工具包开发的。距离差的一个基本问题是接收灵敏度。
以速率为54mb/s的802.11g/b OFDM模式为例，考虑到芯片制造商将接收灵敏度提高到-70dbm，其接收灵敏度仅为-68dbm。在+25dbm(316mw)传输功率下，有:
25-(-70)+3+3 = 32.44+20 * LG(2400)+20 * LG(d)
解决方案是d = 1.1km公里，因此实际通信距离约为500米。因此，许多老射频工程师尊重接收灵敏度这一制胜原则。增加传输功率的成本通常太大。只有将发射功率增加4倍，距离才能增加一倍，并且可以清楚地计算1w和4w之间的距离。
八个设计重点
接下来，我们将讨论八个设计重点:
首先，视频编码和解码
目前，1080p图像传输产品采用的编解码方案基本上都是硬件方案，硬件方案的实时性会有一定的优势。与图像传输的其他领域不同，无人机图像传输需要很高的时延，尤其是fpv飞行。对于航空摄影，如果图像传输的延时太大，在根据视频图像控制云台的过程中，云台手很容易超调。市场上大多数1080p图像传输产品都采用了ti达芬奇方案和海斯方案。目前，ti还没有发布硬件解码的h.265产品，只有h.264 dsp，但它的通用性更强。HiSilicon h.265具有明显的成本优势和较快的开发速度。
就目前的编解码算法而言，将1080p 30fps信号压缩到6mb/s码流的效果已经可以满足广播级应用。在没有握手(类似于udp)的无线通信中，将会发生比特错误事件，并且在长距离中比特错误率将会非常高，并且真正致命的因素是代码流中关键信息的丢失。例如，一旦帧同步数据丢失，整个帧都将丢失。必须对密钥信息进行冗余处理，以适合单向无线信道。同时，接收机基带解调算法中的时钟提取、位同步、字同步和帧同步也应该针对高误码率进行设计，否则小误码率会产生灾难性的图像丢失。
上图显示了视频编码标准(缺少h.265)
上图显示的是达芬奇
上图显示了硅芯片
第二点是低噪声放大器
第一级低噪声放大器的噪声系数是整个接收机设计中的一个决定性环节，为了达到-105dbm以上的接收效果，必须面对低噪声放大器的影响。老射频工程师会更加信任分立场效应晶体管的窄带低噪声放大器。这看似简单，但实际上很复杂。它通常只需要一个月的时间在广告上模拟或在矢量网络上审查。虽然集成lna芯片的两端已匹配到50欧元，可以很容易地获得0.9以内的噪声系数(如hmc376，adl5523)，与老射频工程师的作品相比，它肯定是失去了在起跑线上。
以上图片分别是广告模拟和矢量网络模拟
上图是从射频基带到前端的整体组成
第三点是本地振荡器(lo)
长期以来，本地振荡器的相位噪声不是困扰射频工程师的问题。事实上，这是一个成本问题。只要频率不超过20美元，就可以获得-212dbc/hz相位噪声(如lmx2531)。如果本地振荡器预算仅为6美元，选择一个普通pll(如ad4360的-167dbc/hz)将影响整个机器的信噪比。接收和灵敏度的最终决定不是射频信号的放大倍数，而是整个接收机的噪声系数和基带解调阈值(信噪比)。
目前，市场上的1080p图像传输产品都采用adi公司的小基站方案ad9361/ad9371。虽然价格昂贵，但比dac%2bad8349和ad8347+adc方案更容易处理。
有一个好消息会让你高兴起来。据richwave公司的henryho称，他们正在将rtc6763(一种集成射频芯片，价值数美元)与HiSilicon h.265平台进行集成。在4 bit/s的qpsk调制模式下，Rtc6763的接收灵敏度为-86dbm，在s波段发射功率为1w、两端为3dbi天线的情况下，通信能力超过7公里。
上图显示了adi公司的小型基站方案
上图显示了richwave的方案，因为ti没有h265 dsp，而后者dsp实际上是h264编码
第四，天线
本文采用低增益3dbi天线来计算通信距离。实际上，6dbi天线可用于发射和接收，地面上甚至可以使用10dbi以上的聚焦天线或阵列天线。每增加6分贝，通信距离就增加一倍。如果发射和接收都从3dbi变为6dbi，通信距离将加倍。
在一定限度内，不要错过从天线获得更长通信距离的机会。模式和偏振模式的选择是使用中最有问题的地方。许多人在发射时使用垂直极化，在接收时使用水平极化，这大大缩短了通信距离。地面接收天线应尽可能与发射天线的极化模式一致。
图为不同偏振方向的示意图
如果不考虑垂直爬升的高度，机载发射天线更适合采用垂直极化的全向天线。主瓣的夹角可以很小，在近距离可以依靠旁瓣，最大限度地保证水平通信距离。
图中显示了gp的方向平面，左侧在水平面上是全向的，右侧是垂直面，正下方的增益很低
如果需要垂直爬升，可以考虑弱方向性的圆极化天线，gps选择右手极化天线。
天线的增益反映了集中电磁能量的能力。增益越高，方向性越强。增益越高，天线辐射主瓣的角度越小。在一些实验中，高增益天线的通信距离不如低增益天线，这是由于方向性问题。例如，高增益定向天线通常只有几度到十度以上的夹角。
图中显示了定向天线的图案
没有真正的三维全向天线。全向天线是指其方向图在某一平面上具有全向特性。例如，垂直极化的gp天线仅在水平面内是全向的，如下图所示。
第五，基带(调制和解调)
许多工程师一到就会选择高阶调制，如16qam星座和8psk星座。诚然，1080p视频需要传输速度，但实际上，3m qpsk对于6m位流来说已经足够了，而且低阶调制的解调阈值较低，因此可以获得更好的接收灵敏度。
常用的调制方法
如果压缩率可以进一步提高，可以使用bpsk。与4g和wifi不同，1080p图像传输不需要这么高的速度，但需要更高的接收灵敏度，从而获得更长的通信距离。
我发现很多人都有一个误解:他们认为根据香农定理，传输速度越快，接收灵敏度越低。这是一个概念上的错误(它确实与香农定理无关)。让我们看看香农说的:
确切地说，香农定理告诉我们调制阶数越高(c/b越高)，对信噪比的要求就越高，接收灵敏度就越低。例如，qpsk的c/b=2解调要求s/n=3，bpsk的c/b=1，解调要求s/n=1。如果C(视频传输所需的数据速率)不变，只要增加射频带宽B，c/b就会降低，对信噪比的要求就不会那么高，即采用低阶调制。他所反映的是在频带中传输信息的能力，就像火车皮和货物一样。绝对量与香农定理无关。
射频带宽的真正影响在于其宽度决定了输入热噪声功率，称为固有噪声基底，ktbrf=k*t*brf(hz)，其中k为Boltzmann常熟，t为290k室温，brf为射频带宽。根据上面提到的3m的足够带宽，我们可以看到有多少热输入噪声将混合在接收信号中。
ktbrf(log)= 10*log(1.381*10^-23w/hz/k*290kx3.84mhz*1000mw/w =-110 DBM
看到这个数字，你就会明白为什么接收灵敏度(第三个参数)被设置为-105dbm。事实上，我只是使接收信号比噪声强几分贝，我留下的余量不到4倍(接近4)。
对于1080p图像传输的多机通信问题，考虑到ism频带的有限带宽，频分复用(fdm)和跳频(fhss)中可用的频分信道不多，而时分复用(td)和码分复用(cd)都不适用，因此基带上正交频分复用(ofdm)可能是最有前途的选择。
实际上，ofdm不是一种调制方式，它只是一种分频带宽的方式。让我们听调频广播。人民站和交通站的频率不同，相距很远，这就是fd。如果两个站很近，它们会重叠，不会相互干扰，这就是正交频分复用。
示意图，横轴为频率
基带解调算法将在抗干扰问题中发挥决定性作用。在使用图像传输的过程中，我们无法阻止隔壁的老王在同一个频率上传输，因此寻找合适的基带算法将会占用整个图像传输设计70%以上的工作量。
第六，视线通信距离
自由空室内的视线通信距离不能用地面拉力来测试，因为地球是圆的，其可视距离如下:
在公式中，h1和h2分别是发射天线和接收天线的高度，k是气象因素。评估los通信距离时，应充分了解菲涅耳区影响。
在长距离的情况下，飞机只有有足够的高度才能达到理论通信距离。
第七，振动或旋转引起的振幅调制
许多飞机会自己旋转或振动。当这些周期性的振动被传送到天线时，它们会形成幅度调制，这通常是轻微的，但也会降低信噪比，甚至可以通过眼图直接观察到。解调算法应尽可能避免这种影响。
这种情况可能不容易遇到，但请不要忘记天线振动引起的调幅。
第八，多路径问题
空从中国到地面的多径通信问题会带来符号位串扰。如果代表1或0的符号位延迟到达，它将与其后面的符号位重叠，导致错误代码。
Wifi通常不能解决大延迟的多径问题。为了追求传输速度和成本，其协议只考虑小空范围内的传播延迟，这也是wifi不适合长距离通信的原因之一。利用单位脉冲升余弦滤波器可以对发射机基带信号进行整形，其时域波形的“尾部”衰减较快，可以减少符号间干扰。升余弦滤波器的另一个优点是软件带宽的限制，在功率放大器(pa)之前可以省略saw滤波器。
一个建议是:如果你想在图像传输产品上做得很好，你不能仅仅篡改概念，也不能依赖集成芯片和现有的通信协议。一定要从无线电频率的基本问题开始，每一个分贝都会竞争。它在一千英里之外。
最后，张欣强调，每一个db都必须竞争，这是一种从事无线电频率的态度。任何电缆的插入损耗、任何连接器的插入损耗、任何天线的回波损耗以及任何印刷电路板上微带线的精度都可能是致命的。
上图显示的是张欣开发的图片的发射和接收的射频部分
下面的问答环节是来自公开课组成员的关于本次讲座的一些问题，以及张欣的回答。
问题1:正如您刚才提到的，“考虑到ism频带的带宽有限，频分复用(fdm)和跳频(fhss)中可用的频分信道并不多，而时分复用(td)和码分复用(cd)都不适用，所以正交频分复用(ofdm)在基带上的分频信道可能是最有前途的选择。”为什么时分和码分在这篇文章中不适用？
答:时分和码分都是以速度和带宽为代价的。时间自然很容易理解，一个楼梯一次只能经过一个人，两个人会排队。在码分的情况下，一方面，扩频后的带宽要求更高，另一方面，扩频编码本身用一串码代替一个符号，这也牺牲了速度。码分本身解决了多址接入的问题，也可以带来码增益和抗干扰，但信道不需要太多的图像传输。
问题2:你刚才说“无线网络不能解决大延迟的多路径问题。”为了追求传输速度和成本，其协议仅考虑小空范围内的传播延迟，这是wifi不适合长距离通信的原因之一。”那么，一个适合远程无线通信的协议应该具备哪些特征呢？
答:首先是误码率高的问题。因为无线网络的数据链路层、互联网层等等最初都是为了运行tcp传输层而设计的。图像传输协议不握手，不做重传机制，但需要冗余的关键信息，普通信息不会带来马赛克。此外，图像传输不需要wifi和4g那么快，那么多的频道，那么低的成本，那么多的设备都用在同一个空房间里。因此，许多现有协议中的内容是多余的。
问题3:为什么3:cofdm不是首选？
答:cofdm和ofdm是一回事，编码ofdm是首选。
