基于OFDM技术实现宽带无线视频的传输方案

2016年是中国无人机市场的元年，无人机能够一跃进入大众视野，并迅速在大众市场火热发展，是很多人始料未及的。从刚开始的空中摄录，到后来的实时摄录，方便图传功能无疑为无人机加足了筹码，赚足了眼球。而在工业领域，无人机更是能够确保在绝大多数需要远离现场的任务场合下，实时、可靠的观察或获取现场图像及视频，在绝对安全的情况下节省了大量的观测成本。

到目前为止，无人机在多个领域的广泛应用，已经为民生、科研、商业等众多行业带来了极大的便利，而无人机能够完成这些工作，离不开它的无线图传系统。如果说飞控被称为无人机的大脑，那么图传系统就可以比做无人机的“眼睛”。由此，图传系统在无人机行业应用中所扮演的角色也不言而喻。无人机图传系统，尤其是高质量的图传系统在行业无人机的应用中扮演着极为重要的角色，是不可或缺的。然而想达到高质量却也是非常难的，因为无人机远距离传输具有大数据量和低延迟的硬性指标，使得距离与功耗的平衡非常难以实现。

基于正交频分多路复用技术打造无线图传“高速公路”

基于OFDM技术的传输方案多个维度优于Wi-Fi

正常情况下，信号需要传得远，那么功率就要大，但大功率信号的发射受限于国家政策，因此唯一可以改善的就只有信道信源相关技术。在同样的功耗、其他部件减轻、电池优化的情况下，把带宽压缩，不要把图像完全无失真的去传输，才能保证距离与功耗相对的平衡。在这一方面，目前大部分厂家都在使用Wi-Fi技术。配备Wi-Fi的无人飞行器可以很容易地连接到手机、笔记本电脑和其他移动设备，因此使用起来非常方便。可以说Wi-Fi传输是具有高性价比的无人机图传使用最广泛的技术，但是因为Wi-Fi在技术上有很多限定且不可修改，很多厂家都是拿来方案直接搭建，所以其缺点也十分突出：比如芯片设计成什么格式就是什么格式的，无法修改，技术比较固化；干扰管理策略实时性不强；信道利用率比较低等等。另外Wi-Fi传输还有跟物理层的衔接不紧密的缺点，导致反应不迅速，传输时延较大，最多有高达秒级的时延。

正交频分多路复用 （OFDM） 是一种信号调制技术，广泛应用于宽带无线电通信物理层，可将高数据速率调制流划分到多个缓慢调制的窄带密集的子载波上。因此，信号不易受到选择性频率衰减的影响，在许多高端无人机型号中作为无人图传技术（如大疆的7公里图传技术）的核心已经得到了广泛应用。本文将以ADI公司的集成式射频 （RF） 捷变收发器IC AD9361/AD9364为例，剖析以OFDM传输技术为基础的SDR架构实现宽带无线视频信号链的过程。

AD936x是ADI公司推出的高性能、高度集成的RF Agile Transceiver捷变收发器系列，是面向软件定义无线电应用的革命性解决方案。旨在支持多种可编程无线电应用，支持广泛的调制方案和网络规范（如国防电子、仪器设备、通信基础设施等）。适用于像无人机图传这样的点对点通信系统、毫微微蜂窝/微微蜂窝/微蜂窝基站，以及通用无线电系统。通信应用中，AD936x可有效简化设计、降低功耗，减少占用面积，大幅缩短产品上市时间。

多维度看基于AD9361/9364的高清无线视频传输方案

· 信号链

下图所示为采用AD9361/AD9364和BBIC的简化无线视频传输方案。摄像机捕捉到影像，并通过以太网、HDMI®、USB或其他接口将视频数据发送至基带处理器。图像编码/解码可通过硬件或FPGA处理。RF前端包括RF开关以及连接到可编程集成式收发器的LNA和PA。

无线视频传输示意图

通过改变采样速率、数字滤波器和抽取参数，AD9361/AD9364可支持的通道带宽范围为低于200 kHz到56 MHz。AD9361/AD9364为零中频收发器，同时具有用来发射复数数据的I通道和Q通道。

· 传输距离和发射器功率

在无人飞行器等应用中，最大传输距离是一个关键参数。但是，保持通信不中止同样很重要，即使距离较小时也是如此。氧气、水和其他障碍物（自由空间衰减除外）可能会使信号衰减。

下图显示了无线通信通道损耗的模型。

无线通信通道损耗模型

为了使发射器保持在线状态，并使视频格式保持同一视频数据速率，则基带应使用低阶调制，其代价是增加带宽。这样有助于确保接收到的图像清晰不模糊。幸运的是，我们可通过具有数字调制和解调功能的软件定义无线电来改变调制方式。此外，载波频率也会对传输距离产生影响。当波在空间中传播时，会发生散射损耗。在相等的自由空间距离上，频率越高，损耗越大。例如，相较于2.4 GHz，载波频率为5.8 GHz时在相同传输距离上的衰减将超过7.66 dB。

· RF频率和频率切换

AD9361/AD9364输出覆盖70 MHz至6 GHz的可编程频率范围。这将能满足大多数NLOS频率应用，包括不同类型的特许执照和免执照频段，比如1.4 GHz、2.4 GHz和5.8 GHz。

2.4 GHz频段已广泛用于Wi-Fi、Bluetooth®以及物联网 （IoT） 短程通信，因此变得越来越拥挤。该频段用于无线视频传输和控制信号将会增大信号干扰的几率和不稳定性。从而导致无人飞行器陷入不良情况，这些情况往往十分危险。使用频率切换技术保持干净的频率通道，将确保数据和控制连接更可靠。当发射器觉察到拥挤频率时，它会自动切换到其他频带。例如，两架同时使用相同频率并且近距离工作的无人飞行器将会相互干扰对方的通信。自动切换LO频率并重新选择频带将有助于维持稳定的无线链路。在上电期间自适应选择载波频率或通道是高端无人飞行器的一个杰出特性。

· 跳频

广泛应用于电子对抗 （ECM） 的快速跳频技术也有助于避免干扰。下图显示了跳频发射器的LO频率从816.69 MHz跳变至802.03 MHz的例子。AD9361用于正常频率变化模式，发射器RF输出频率从814.69 MHz跳变至800.03 MHz，参考频率为10 MHz。

频率从804.5 MHz跳变至802 MHz，历时500 μs

500 μs对于跳频应用来说是一段很长的时间间隔。不过，AD9361/ AD9364支持一种快速锁定模式，通过将合成器编程信息集（称为配置文件）存入器件寄存器或基带处理器的存储空间，可使该过程比正常频率变化更快。

在快速锁定模式下，频率在20 μs内从882 MHz跳变至802 MHz。

结论

在农业生产、电力线检查及监督等工商业应用中，无人机的稳定、安全和可靠的视频传输是成功的关键。凭借捷变频段切换和快速跳频技术，AD9361/ AD9364可建立一个更稳定、可靠的无线链路，以对抗空间中日益复杂的辐射环境并减小坠落几率。在协议层，该解决方案使用单向传输以缩减无线链路的建立时间并实现低延迟连接，因此更灵活。

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