无人机短距离图像传输与接收原理.docx

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无人机短距离图像传输与接收原理

无人机短距离图像传输与接收原理

及常见问题

总序

图像传输原理、一、模拟微波传输原理：

1.1系统特点

系统容量有限实际使用环境中图像发送端和接收端都处于空中平台中，

实时性由于图像发送和接收的实时性要求高，使用体积有限，故而选择的图像压缩和解压缩算法必须高效、易于实现，同时时延小。

高保真图像显示由于接收端需要对图像进行分辨从而做出正确的选择，因而图像压缩算法必须选用高保真的压缩算法。

干扰信道环境使用环境为战时复杂的电磁环境，信道中存在着各种噪声、突发干扰和随机干扰。

1.2系统方案

由于系统容量要求，采用频分体制完成多个信道的同时工作，同时将红外图像压缩后传输以减小每个信道使用带宽。

1.2.1发送端设计

发送端包括三部分：

综合基带、发射机和天线。

综合基带是其中的关键部件，完成对图像数据的采集、压缩、编码和交织，完成对状态数据的采集、编码，完成对传送数据的组帧输出及对发射信号的发送控制。

考虑功耗、体积和实际耗费资源，选择一片大规模FPGA完成所有信号处理。

1.2.2接收端设计

接收端包括四部分：

接收天线、信号处理机、接收处理组件

接收处理组件完成数据的接收、存盘、图像数据提取、解压缩和显示及状态数据的提取和显示。

解压缩采用软件实现，解压缩软件嵌入到指控平台接收端的接收软件中，在接收信号的同时完成压缩图像的解码和实时显示。

1.3关键技术

1.3.1天线设计

由于发送端设备位于导弹上，接收端设备位于飞机上，故而存在收发天线失配问题，设计时接收端天线采用圆极化形式，发送端天线采用一对垂直分布的线极化天线，这样将极化损耗降到最低，有利于接收端的接收。

同时考虑通信时抗干扰问题，发送端天线采用后向天线图形式，为增加抗干扰性，还要求发送端天线具有一定的增益。

图2为发送天线仿真图。

1.3.2信源信道联合编解码技术

由于红外导引头的图像格式不是标准的视频图像格式，普通的视频图像压缩标准并不适用；红外导引头的图像具有目标形状变化比较快的特点，也不适用帧间压缩方式；同时考虑到弹上应用环境的特殊性，压缩算法必须具有硬件实现简单、体积和功耗小，考虑实际使用环境，其压缩和解压缩算法实现还必须具备实时性强的特点，因此，选用多分辨率重采样图像压缩算法对图像数据进行压缩。

接收端若使用软件对RS码解码，会造成较大的时延，故使用硬件完成图像数据的解交织、译码和状态数据的译码，使用软件完成图像数据的解压缩和图像显示。

1.3.3信号处理平台的选择与设计

设计初期必须进行发送端和接收端的信号处理平台的选择。

2验证

因为实际最大的空间传输时延是可以计算出来的，使用衰减器将发送端和接收端直接连接在一起，直接测试发送端和接收端的图像数据起始端的信号差异即可测出系统时延。

室外验证试验中，接收天线采用双天线接收，增益为17dB，选择分集合成接收机，在发射系统天线前端使用衰减器。

因此，本文主要对无人机短距离图像传输的原理和常见图像不稳定问题进行分析和探究。

目前无人机图像传输器主要分为两种。

一种是基于WiFi信号进行图像传输。

如Phantom4（大疆公司旗下精灵4无人机）、EXPLORV（零度智控旗下探索者无人机）.而另一种则是直接利用1.2G、5.8G信号频段进行直接信号传输。

如柏通1.2G图传，TS832图传。

WiFi类图传主要是利用中继模块产生WiFi信号，进而进行图像传输。

WiFi图传的数据传输需要发送端与接收端首先建立起通讯握手机制，再传输每个大小为512字节的数据包。

每个数据包传输必须完整无误，丢失其中一个字节都会导致整个数据包重新发送，确认完整的接收一个数据包之后，才开始传输下一个数据包，而这也正是导致图传延时的原因。

而对于自树林中进行飞行，由于树上有潮湿的水蒸气阻挡信号，很容易引起WiFi数据包丢失某些字节，整个大数据包就必须重新发送，这就导致WiFi图传经常性的延时。

解决办法lightbridge高清图传技术应用了单向传输技术，

2.4G指工作频率在2.4G的范围内。

信号的发射首先需要高频振荡器产生一个固定的频率，在频率产生的同时会产生很多次生频率，这些频率往往是以主要频率倍数形式存在，比如想要得到一个100MHZ的信号作为可以传到FM收音机的载波，要想频率稳定就必须使用稳频晶体。

而如果只有10MHZ的稳频晶体，就可以用该晶体起振后选频出它的10倍后的频率。

无线传输

是解决几公里甚至几十公里不易布线场所监控传输的解决方式之一。

采用调频调制或调幅调制的办法，将图像搭载到高频载波上，转换为高频电磁波在空中传输。

其优点是：

综合成本低，性能更稳定，省去布线及线缆维护费用；可动态实时传输广播级图像，图像传输清晰度不错，而且完全实时；组网灵活，可扩展性好，即插即用；维护费用低。

其缺点是：

由于采用微波传输，频段在1GHz以上，常用的有L波段（1.0～2.0GHz）、S波段（2.0～3.0GHz）、Ku波段（10～12GHz）,传输环境是开放的空间，如果在大城市使用，无线电波比较复杂，相对容易受外界电磁干扰；微波信号为直线传输，中间不能有山体、建筑物遮挡；如果有障碍物，需要加中继加以解决，Ku波段受天气影响较为严重，尤其是雨雪天气会有比较严重的雨衰现象。

不过现在也有数字微波视频传输产品，抗干扰能力和可扩展性都提高不少。

发送端包括三部分：

综合基带、发射机和天线。

综合基带是其中的关键部件，完成对图像数据的采集、压缩、编码和交织，完成对状态数据的采集、编码，完成对传送数据的组帧输出及对发射信号的发送控制。

考虑功耗、体积和实际耗费资源，选择一片大规模FPGA完成所有信号处理。

1.2.2接收端设计

接收端包括四部分：

接收天线、信号处理机、接收处理组件

接收处理组件完成数据的接收、存盘、图像数据提取、解压缩和显示及状态数据的提取和显示。

解压缩采用软件实现，解压缩软件嵌入到指控平台接收端的接收软件中，在接收信号的同时完成压缩图像的解码和实时显示。

1无线信道图像传输系统设计

1.1系统特点

系统容量有限实际使用环境中图像发送端和接收端都处于空中平台中，考虑系统中有多个数据流通信，图像实际使用带宽过大，一方面影响整个系统容量，另外会带来接收端诸多问题，为满足实际工程应用，必须控制每组信道的使用带宽，故而需将图像压缩后传输。

实时性由于图像发送和接收的实时性要求高，使用体积有限，故而选择的图像压缩和解压缩算法必须高效、易于实现，同时时延小。

高保真图像显示由于接收端需要对图像进行分辨从而做出正确的选择，因而图像压缩算法必须选用高保真的压缩算法。

干扰信道环境使用环境为战时复杂的电磁环境，信道中存在着各种噪声、突发干扰和随机干扰。

1.2系统方案

由于系统容量要求，采用频分体制完成多个信道的同时工作，同时将红外图像压缩后传输以减小每个信道使用带宽。

1.2.1发送端设计

发送端包括三部分：

综合基带、发射机和天线。

综合基带是其中的关键部件，完成对图像数据的采集、压缩、编码和交织，完成对状态数据的采集、编码，完成对传送数据的组帧输出及对发射信号的发送控制。

考虑功耗、体积和实际耗费资源，选择一片大规模FPGA完成所有信号处理。

1.2.2接收端设计

接收端包括四部分：

接收天线、信号处理机、接收处理组件

接收处理组件完成数据的接收、存盘、图像数据提取、解压缩和显示及状态数据的提取和显示。

解压缩采用软件实现，解压缩软件嵌入到指控平台接收端的接收软件中，在接收信号的同时完成压缩图像的解码和实时显示。

1.3关键技术

1.3.1天线设计

由于发送端设备位于导弹上，接收端设备位于飞机上，故而存在收发天线失配问题，设计时接收端天线采用圆极化形式，发送端天线采用一对垂直分布的线极化天线，这样将极化损耗降到最低，有利于接收端的接收。

同时考虑通信时抗干扰问题，发送端天线采用后向天线图形式，为增加抗干扰性，还要求发送端天线具有一定的增益。

图2为发送天线仿真图。

1.3.2信源信道联合编解码技术

由于红外导引头的图像格式不是标准的视频图像格式，普通的视频图像压缩标准并不适用；红外导引头的图像具有目标形状变化比较快的特点，也不适用帧间压缩方式；同时考虑到弹上应用环境的特殊性，压缩算法必须具有硬件实现简单、体积和功耗小，考虑实际使用环境，其压缩和解压缩算法实现还必须具备实时性强的特点，因此，选用多分辨率重采样图像压缩算法对图像数据进行压缩。

接收端若使用软件对RS码解码，会造成较大的时延，故使用硬件完成图像数据的解交织、译码和状态数据的译码，使用软件完成图像数据的解压缩和图像显示。

1.3.3信号处理平台的选择与设计

设计初期必须进行发送端和接收端的信号处理平台的选择。

2验证

因为实际最大的空间传输时延是可以计算出来的，使用衰减器将发送端和接收端直接连接在一起，直接测试发送端和接收端的图像数据起始端的信号差异即可测出系统时延。

室外验证试验中，接收天线采用双天线接收，增益为17dB，选择分集合成接收机，在发射系统天线前端使用衰减器。

传播，不向外空间散射，其特点是信号比较稳定，传播方式主要适用于长波和中波波段。

3兆赫以下。

xx传播：

在大气层中，从几十公里至几百公里的高空有几层“电离层”形成了一种天然的反射体，电波射到“电离层’就会被反射回来，走这一途径的电波就称为天波或反射波。

在电波中，主要是短波具有这种特性。

3-30兆赫。

散射传播：

是利用对流层或电离层中介质的不均匀性或流星通过大气时的电离余迹对电磁波的散射作用来实现超视矩传播。

这种传播方式主要用于超短波和微波远距离通信。

30-500兆赫。

视距传播：

电波直接从发信天线传到收信点（有时有地面反射波）。

目前广泛使用的超短波通信和卫星通信的电波传播均属这种传播方式。

2.4G控至5.8G图传都在超短波范围。

对于需要实时控制的航模飞机来说，除了直接接收到信号，靠任何之外的无线电特性提高距离的方式都是不可靠的，尽管长波中波绕射能力极强，依然受空间玩境制约，很不稳定。

【无线电的“穿透力”】无线电的频率越高，越接近光的传播特性，无线电对绝缘体有穿透，对导体产生反射和绕射。

平时常说的穿透力，其实大部分时候，朋友们是想追求绕射能力，频率越低绕射能力越强，在无线电中，真正使用其绕射能力的波段是长波和中波，也就是3兆赫以下。

在30兆赫以上的频率，基本上都已经都是直射接收了，100兆赫以上时，讲绕射能力，没有什么意义。

无线电真正意义上的穿透，不在咱们的讨论泛围内，玩航模也用不到。

【天线的简单原理和特性】简单的我把可以把发射天线看做灯管，把接收天线看做一只接收灯管，很好理解，要想两支灯管间的信号完美的传递，最佳状态就是两支灯管平行放置。

错误的放置是一支天线立放，一支天线横放，最差的放置是横放的天线指向立放的天线，所以我们安置天线的时候，一定要注意发射和接收天线保持平行，才可以有最佳和最远的接收效果，要绝对避免一支天线指向另一支天线的情况发生。

只要接收和发射天线是平行放置，不论是立放还是倒放，效果是一样的。

同理我们可以把不愿受到无线电影响的设备，特意的放置在天线指向的位置上，但在载机上受空间限制可能不一定做到。

【天线安装】载机是绝缘体不会影响信号传播，机载设备等导电体，在飞机姿态变化时，如果正好处于了接收和发射天线之间，在距离远信号弱时就可能造成信号中断，机载天线最佳的安装位置应该是在飞机的下部，这样机载天线受机载设备屏蔽的几率最小，干扰也会降到最小。

【飞远和飞高的天线安装方式】向远飞的飞机，接收天线和发射天线，都采用垂直方式安装。

追求高度的飞机，接收和发射天线水平放置为好。

但水平放置接收天线，容易受到飞机姿态和方位影响，应尽量采用双接收天线的接收机，两支天线呈90度角水平安装，以达到最佳的接收效果。

【天线安装角】为了飞行安全的考虑，我们可以预先按我们的要求，使天线有一定的安装角。

比如图传天线（图传是把航模上采集的视频发回地面的图像传送设备，为了更直观讲解，所以用图像天线来说明），可以有一点向前倾的角度，这样飞机前方的信号有一点向下的辐射角，而飞机后面有一点向上的辐射角，我们相对在飞机的下方，这时对于我们所处的下方位置来说，飞机后下方的场强比飞机前下方的场强略小些，当飞机飞远，感觉图像不清晰了，飞机返航，机头向我们时，图像可以变的清晰些。

相反，如果机头转向我们时，图像可能就没有了，这肯定是不可取的，这角度稍微有几度就可以，不要过大。

对于接收机天线，也是相同道理。

有双天线的接收机，天线垂直安装时，可以让前面天线有一个向后，后面天线向前的倾角，这样飞机无论是去还是来，都可以保证有较稳定的接收。

当天线是水平安装时不用考虑安装角。

看了很多帖子讨论图传频率和功率的选择，关于“穿透”能力的讨论更是众说纷纭。

作为物理专业毕业生，在这里给大家阐明一下给频率和”穿透“能力的基本物理关系。

本人只是从物理的理论角度分析，如果有不准确的地方，欢迎指正。

首先，我们说的“穿透”能力其实是指的无线电波“绕”过障碍物继续传播的能力，另称为“衍射”。

衍射是波传播的特有性质，满足衍射发生的条件是：

障碍物的尺寸不大于波长。

图传的各频率的波长是多少呢？

根据波长计算公式lamda=c/f,其中c为光速，f为频率。

可以得出市面上常见的四种频率（900mhz,1.2ghz,2.4ghz,5.8ghz）的波长分别为：

33.31cm,24.98cm,12.49cm,5.17cm。

知道波长了，对比飞行中有可能出现的障碍物的尺寸，其穿透能力就一目了然。

：

无论哪个频率各种建筑肯定挡住信号。

对于2.4ghz和5.8ghz，树枝树叶也会对其构成不小的威胁，所以飞到树的后面也很危险。

顺便再聊聊功率和有效距离的关系：

对于全向天线（棒状天线/蘑菇头天线等）有效距离的平方跟功率成正比，比如一个1w的图传，有效距离是1000米；那么2w的图传有效距离就是14米。

为什么？

因为图传发射的信号能量从天线一点向空间传播，其无线信号就会以球面向四周扩散，发射能量均匀分布在空间的球面上。

球心就是图传发射端，接收端处在球面上的任意一点。

发射与接受端的距离就是球的半径。

球面的面积s就跟球的半径平方成正比。

所以图传有效距离跟发射功率平方成正比。

上面讨论可见一味提高图传的发射功率不是增加距离最有效的方式。

最有效的方式就是把分散在球面上的能量都集中在接收端方向，这就是定向天线的优势。

下面介绍一个概念：

增益。

增益的单位是db分贝，分贝=输出能量数量级/输入能量数量级X10。

输出/输入的倍数与分贝的换算：

1倍=0分贝，10倍=10分贝，100倍=20分贝，1000倍=30分贝.简而言之，增益代表的是天线对于发射能量“塑造”的能力，增益越大说明天线发射的能量在某个方向越集中。

所以增加图传距离最有效的方法就是改变接收端的天线，可以让一个有效距离1km的图传，瞬间变成20km的马拉松fpv图传。

一句话，嗓门大不如对的准。

【各种天线的场强分布】相同构造天线的发射和接收场强是基本一致的，并且不是有源天线的话，都是可以直接互换互用的，在这里就不再做细分了。

另外大家对天线的外观并不陌生，我也就不再上图了。

1】全向天线:

无线电专业里常叫鞭状天线。

它就象一个灯管，它的发射泛围，垂直放置时，是在水平方向上向周围散射，在360度泛围内都有均匀的场强分布，是我们比较常用的一种形式。

水平放置时，假如天线是东西方向放置，场强分布是包括天空在内的南北方向，以及天线到地面的南北方向空间泛围内分布。

因此垂直天线，主要针对水平方向的目标，水平天线主要针对垂直高度上的目标，和窄范围内的水平目标。

2】八木天线：

定向传输天线，八木天线由比天线稍短的引向器，和比天线稍长的反射器，中间安装天线的结构构成，八木天线的场强主要集中在引向器一侧，反射器将天线发出的信号反射回引向器方向，使场强增强，同时有屏蔽后方干扰的作用。

八木天线在垂直安装时，上下的场强分布角与全向天线差不多，在水平方向上场强分布角，与引向器的多少有关，引向器越多，夹角越小，方向性越强，夹角内的场强越高。

一般常见引向器3-5支，再多效果亦不明显。

主要特点是在有效范围内场强分布均匀，方向性好，抗干扰能力强。

3】抛物面天线：

这种天线的场强分布有两部分，类似手电光，一部分是灯泡直接射出的散射光，另部分，也是主要部分，是反射器反射形成的直射光。

所以抛物面天线的效率是最高的，但方向性也是最强的，最常见是用在固定点对点的微波通信，如果用在飞行器上的通信，必须装在高精度跟踪云台上才可以，如果跟踪云台精度不高也是盲人骑瞎马。

另外抛物面天线对组装精度要求也很高。

4】平板状天线：

平板天线的特性和八木天线基本相同，好的平板天线结构较复杂，但体积小，重量轻，安装简单。

体积效率比高，野外FPV狂人的首选天线。

需配合跟踪云台使用。

【天线的计算和自制】

无线电的传僠速度和光速相同，每秒300万公里。

无线电波长的计算为，300÷频率，比如150兆赫的波长为，300÷150=2米（注意单位是米），天线的长度要和波长匹配，一般的全向天线多采用波长或波长，相较波长的天线效率较高。

为什么不能用全波波长的天线呢？

无线电信号是个正弦波，全波长的天线，会使电波的上半周和下半周同时加载到天线上，因为两个半周的电流方向是相反的，产生的电波就是反相的，所以不能做为普通天线用。

但朋友已经注意到了很多高增益天线的长度要比波长长很多，那是因为在整个天线中间加了线圈进行倒相，使一个半周的信号被抑制，只使我们需要的半周信号得到发挥。

有朋友会问，那只有半个周期的信号，不是残废信号吗？

虽然天线是半个波长，但流过天线的电流方向是连续变化的，所以产生的电波就是个完整的正弦波。

为什么天线的长度是或波长呢？

是因为要天线的长度要和无线电的波长产生谐振，才能使天线以最高的效率把电流转化为电磁波。

道理和固定长度的物体产生一个固定的声波，及固定长度的物体会随特定声波振动的道理是一样的。

知道了以上的内容，我们就可以自己制作基本的天线了。

还以150兆赫为例，天线长度大约为1米。

但300万公里是光在空间中的传播速度。

在金属介质中的传播速度，因金属的不同，约为空中速度的96%-97%，所以标准的天线长度应乘以这个缩短率，如果不了解我们所用金属的缩短率，可以取个中值。

在此可以计算为300÷150÷2×0.965=0.965米，即是所要的150兆赫天线长度为0.965米。

以上是个最简单的天线制作，但效率还是很不错的，只要稍做改造就可以成为高增益天线，之前我曾以架空加装假地线的波长全向天线，作为对讲机天线，用1W功率在150公里范围内清晰稳定地通信，而用简单天线1W也就在两公里范围内勉强，可见天线做好了效率是相当惊人的。

前阵子，我的天地飞09S天线不知丢哪去了，自制了6公分长的一段细铜线做为天线，在300米范围内也从未失控，就这样大概飞了有一个多月，直到发回了一根9DBI的天线。

看了以上介绍，你是不是觉得制作一棵天线变得很简单了呢。

以后，当没有天线或天线丢失时，不用为没有天线而束手无策了吧。

至于更复杂的天线制作及知识，我们就不再多述了，大家有兴趣可以自己找一找资料。

知识就在折腾中产生。

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无论任何时候，在可靠的无线电场强内飞行都是明智的！

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