无人飞行器应用中基于SDR的高分辨率、低延迟视频传输

集成式射频 (RF) 捷变收发器不仅广泛用于蜂窝电话基站的软件定义无线电 (SDR)架构，如多业务分布式接入系统 (MDAS) 和小基 站单元等，也适用于工业、商业以及军事应用中的无线高清视频传输，如无人飞行器 (UAV) 应用。

本文将剖析使用AD9361/AD93642,3集成式收发器IC实现宽带无线视频信号链的过程，以及传输的数据量、相应的RF占用信号带宽、传输距离和发射功率。文中还将描述OFDM物理层的实现，并列出用于避免射频干扰的跳频时间测 试结果。最后，我们将讨论Wi-Fi和RF捷变收发器在宽带无线应用方面的优缺点。

信号链

图1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。

图1. 无线视频传输示意图

需要传输多少数据

表1列出了未压缩数据速率和压缩数据速率之间的显著差异。通过使用高效视频编码 (HE VC) 技术，也就是H.265和MPEG-H第2部 分，可以降低数据速率并节省带宽。H.264是目前最常用于录像、压缩及视频内容分布的格式。它体现了视频压缩技术的巨大进步，并且在未来有可能接替现已广泛使用的AVC（H.264和MPEG-4第10部分）技术。

表1总结了不同视频格式下的未压缩和已压缩数据速率。其假设 条件是视频的位深度为32位，帧速率为60 fps。在1080p的例子中， 压缩后的数据速率为7.45 Mbps，这样的数据率才会更加容易地被 基带处理器和无线物理层进行处理。

表1. 压缩数据速率

信号带宽

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，具有用来发射复数数据的I通道和Q通道。复数数据含有实部和虚部，分别对应I通道和Q通道，它们位于同一频带上，因此其频谱效率是单通道频谱效率的两倍。压缩视频数据可以映射到I和Q通道以创建星座点，也就是符号。图2显示了一个16QAM的例子，每个星座点符号代表四个二进制比特。

图2. 16 QAM星座图。

图3. 星座图中I和Q数字波形。

图4. 脉冲整形滤波器响应。

对于单载波系统，I和Q数字波形在进入DAC之前需要通过脉冲整形滤波器，使所传输的信号在有限带宽内成形。脉冲整形可使用FIR滤波器，滤波器响应如图4所示。为了确保信息逼真度，必须满足对应于符号速率的最小信号带宽。符号速率与压缩视频数据成正比，如下式所示。对于OFDM系统，应使用IFFT将复数数据调制到各个子载波上，使其在有限带宽内传输信号。

每个符号对应的位数取决于调制阶数。

图5. 调制阶数。

所占用信号带宽为

其中α表示滤波器的带宽参数。

根据前面的公式，可以推导出

从而，我们可以计算出RF占用信号带宽，如表2中的总结所示。

表2.各种调制阶数的RF占用信号带宽 (α = 0.5)

AD9361/AD9364可实现56 MHz信号带宽，支持表2中所有视频格式的传输并且支持更高的帧速率。高阶调制占用的带宽更小，每个码元可表示更多的信息/位，但是解调所需的信噪比 (SNR) 更高。

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。

图6显示了无线通信通道损耗的模型。

图6. 无线通信通道损耗模型。

通常将解调或恢复发射器信息所需的最小输入信号 (Smin) 作为接 收器灵敏度。获得接收器灵敏度后，结合某些假设条件可计算出 最大传输距离，如下所示：

(S/N)min表示处理信号所需的最小信噪比

NF表示接收器的噪声系数

k表示玻尔兹曼常数,1.38 &TImes; 10–23 joule/k

T0表示接收器输入的绝对温度（开尔文） = 290 K

B表示接收器带宽（单位Hz）

参数(S/N)min与调制/解调阶数相关。在相同的信噪比下，低阶调制可得到更低的误码率，而在相同的误码率下，高阶调制需要更高的信噪比来解调。因此，如果发射器离接收器很远，则接收到的信号较弱，信噪比不足以支持高阶解调。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。上述分析基于这样的假设条件：发射