無人機圖傳射頻鏈路揭秘

如果說中國無人機制造商大疆創(chuàng)新的巨大估值和營收說明了什么,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眾多資本競相追逐,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(fā)適合無人機應用的創(chuàng)新產品和技術。

當我們把目前主流的無人機的內部電路板拆解開來后,您會發(fā)現無人機的電路控制系統主要由三大部分組成:飛控系統、云臺+相機、圖像傳輸系統。本文將為您分析無人機圖傳中的射頻技術。

在無人機的視頻傳輸方面,高配的圖傳系統已經可實現5km/1080P30fps傳輸,但這是眾多國內娛樂無人機廠商還沒有做到的。一般的做法是在云臺搭載相機,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,技術上也較復雜,并且畫面會有馬賽克、停頓或卡死。畫面質量也不夠好,用到專業(yè)航拍還有距離,適合普通愛好者娛樂?！?

2.4GHz是目前無人機市場比較主流采用的頻段。在大疆的Phantom3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?！皥D像傳輸系統的性能是區(qū)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(wěn)定性等是衡量無人機圖傳性能的關鍵因素?！?

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(tài)的無人機所拍攝的畫面實時穩(wěn)定的發(fā)射給地面無線圖傳遙控接收設備。圖像傳輸的實時性、穩(wěn)定性是關鍵。

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公里,但由于其抗干擾能力弱,遙控無人機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。賽普拉斯2.4-GHz單芯片無線電收發(fā)器WirelessUSB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的數據速率可最大限度的減少發(fā)送和接收時間。在2.4GHzISM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(fā)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(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?！?

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(wěn)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干擾。它可以解決WiFi/Bluetooth和其他無線通訊標準同時運行的問題,不會因相鄰無線射頻干擾影響性能。

經濟實惠、易于使用的GaAsMMIC低噪聲放大器(LNA)MGA-64606也是眾多無人機產品優(yōu)選的器件。“MGA-64606通過采用Avago專有的0.25umGaAs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,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成為移動IEEE802.11bgWLAN應用的理想選擇。它在3%EVM54Mbps數據傳輸率(OFDM調制)時,線性輸出功率為19.0dBm,在11Mbps(CCCK調制)時,線性輸出功率為23dBm。而在某些5.8GHz圖傳系統中,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提供動力和時鐘參考。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,需要注意的是LDO還必須具有高的紋波抑制比。

另一方面,由于飛行器的應用場景一般都是戶外,客戶勢必會做全溫范圍內的溫度補償,目前晶體振蕩器行業(yè)里比較領先的是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(huán)境要求。

小結:

盡管現在的無人機市場還比較小眾,不過自2014年已經開始了爆發(fā)式增長的階段。在大疆之后,更多的企業(yè)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(xù)航時間、載重能力仍然是現在無人機廠商需要面對的挑戰(zhàn)。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。