基于無人機的多媒體傳輸系統

陳岳林， 楊懷德

（1 福建信息職業技術學院 電子工程系， 福州350400； 2 東莞職業技術學院 計算機工程系， 廣東 東莞523808）

0 引 言

隨著經濟的進步，社會的發展，廣播電視行業面臨廣闊的信息新聞覆蓋，有民生、經濟、社會、軍事、災難等等［1］。 在傳播方式多樣化的信息化時代，對于重大突發公共事件，如果不能做到第一時間精準掌握現場的信息，很可能會造成負面情緒擴散、事件應對處理不善等后果。 然而，在特定的場景下（如地震、公共安全事件等），僅僅依靠傳統的方式去獲取信息源，可能會付出可觀、甚至重大代價。 為此，廣播電視行業迫切需要更新技術手段，選擇利用更先進的通信技術、自動化技術，設計展開并獲得遠距離的新聞信息、突發信息采集［2］。

無人機技術、通信技術、廣播電視技術的飛速躍進，給廣播電視行業帶來了機遇，基于無人機的高清多媒體傳輸技術，可幫助廣播電視行業從容應對新媒體挑戰，快速響應各類突發事件，實現更快、更高質量的社會輿論引導［3-5］。

1 系統總體設計

無人機多媒體傳輸系統由無人機模塊、無人機控制端、云服務器、編解碼模塊、無線傳輸模塊、播放端模塊組成。 天空端為無人飛機，天空端通過攝像機采集視頻，經過H.265 壓縮，壓縮后數據通過無線鏈路傳輸，同時通過鏈路接收地面端飛控控制指令。地面端接收到無線鏈路傳輸的信號，引入解調處理并通過HDMI 或USB 接口顯示在終端顯示屏，而且遙控器的控制指令將通過無線承載發射到天空端的飛控，控制飛機飛行姿態。 系統設計架構如圖1 所示。

圖1 無人機多媒體傳輸系統框架圖Fig. 1 UAV multimedia transmission system framework

無線鏈路采用TD-LTE 通信方式。 TD-LTE 是基于OFDMA 技術，使用非成對頻譜實現雙向通信，是一種時分雙工系統，在幀周期的下行線路操作中及時區分無線信道以及繼續上行線路操作的一種技術［6］。

2 關鍵技術實現

2.1 信號調制解調實現

無人機多媒體數據傳輸采用的是無線傳輸的方式，實際的通信環境會受其他信號和天氣等因素的影響，因此，在發送端對數據進行調制，提高系統的抗干擾性并盡量提升系統的吞吐量。 本設計采用的OFDM 是正交頻分復用技術，這是一種屬于多載波調制技術，同時也是一種無線環境下的高速傳輸技術［7］。 研究設計的系統將載波不同頻率中的大量信號合并成單一信號，從而達成信號傳送目的。 一個OFDM 信號周期內4 個子載波示意如圖2 所示。

圖2 OFDM 子載波示意圖Fig. 2 Schematic diagram of OFDM sub carrier

無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，OFDM 技術的思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸。 這樣，盡管信道總體是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上發生的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。

在OFDM 通信系統中，接收端在收到信號后會對接收信號賦以快速傅里葉變換，在這一過程中會因為開窗起始點的位置不當，從而造成信號間干擾。在實際應用中，開窗起始點的估計可以分別通過時域或者頻域上的運算分析來獲得結果。 然而傳統的估計方法普遍存在估計結果受信道條件影響大、預測結果不穩定等弊端不足。

本系統通過利用相關特性優良的PN 序列來展開估計，從而提升估計的準確性和穩定性。 設計實現方案是：在發送端，導入長度為N 的PN 前導置于OFDM 信號前面；接收端，建立一個長度為N 的滑動窗口，在窗口進行逐點滑動的同時計算與PN 序列的互相關特性，從而找到互相關的最大值及其對應的窗口起始點，并獲得幀偏差。

2.2 誤碼控制實現

基于無人機的高清視頻傳輸系統采用3 種誤碼控制的方法：自動請求重發（ARQ）、前向糾錯（FEC）和混合糾錯（HEC）方式。

物理信道從上層接收到的傳輸塊TB（transport block）后，信道編碼的流程如圖3 所示。

圖3 信道編碼流程圖Fig. 3 Channel coding flow chart

2.3 信號收發實現

由于傳輸的是多媒體信息，系統對于頻譜和帶寬的需求比較大，因此本系統使用MIMO 技術來提升系統的容量。 MIMO 可以簡單地理解為多進多出技術，即通過在發射端和接收端均采用多天線（或陣列天線）和多通道來抑制信道衰落［8］，研究可得設計結構如圖4 所示。

圖4 MIMO 系統結構圖Fig. 4 MIMO system structure diagram

然而這種多天線的系統性能會受到不同天線發射信號間干擾的影響。 目前，天線間干擾消除的方式分為線性消除法和非線性消除法。 本系統將采用非線性消除法并且對天線設計進行優化。 具體方案的策略表述是：（1）對于一個接收信號s，每得到其中的一個分量就做出判決處理，進而得到一個新的消除了干擾的信號分量，重復上述步驟即可得到接收信號的消除了干擾的所有分量的估計，由此將得到消除了干擾的信號s’。 （2）由于無人機的資源有限，因此在設計天線時，將介質板面地面的尺寸固定為一個合適的大小60 mm×60 mm，這個大小適用于體形小巧的無人機。 設計使用的介質板的相對介電常數為4.5，厚度為0.9 mm。 此外，為了增加阻抗帶寬和天線的阻抗匹配，設計了一根具有階躍阻抗特性的SIR 枝節（從單極子背面右側延伸出來），與正面的單極子進行耦合饋電，從而使得MIMO 天線的性能得到了明顯改善。

3 結束語

針對無人機多媒體傳輸系統的需求，提出了一種基于LTE 的高可靠的無人機多媒體傳輸系統的設計方案，并詳細探討論述了關鍵技術的實現，對無人機多媒體傳輸的后續功能的完善和開發具有很好參考價值。