Desde o início dos anos 2000, os drones capturaram a imaginação do público como uma forma empolgante de gravar e transmitir imagens de vídeo. Antes dos drones, altos níveis de precisão e controle de acesso a vídeo eram anteriormente reservados para aeronaves maiores e tripuladas, como helicópteros. E embora os primeiros drones de visão em primeira pessoa (FPV) tenham sido inicialmente usados para fins militares, o “gotejamento” da tecnologia de drones para o setor de consumo levou os entusiastas a experimentar a bem estabelecida transmissão de vídeo analógica a partir de câmeras de bordo.[1] Esses sinais podiam então ser enviados para óculos ou telas para fornecer aos pilotos experiências vívidas de voo em primeira pessoa, o que levou a uma maior adoção comercial da tecnologia de drones FPV nos anos seguintes.
Hoje, os drones são uma tecnologia competitiva estabelecida para os mais altos níveis de produção de vídeo, como visto em filmes de grande orçamento dos últimos anos.[2] Muitos entusiastas de FPV ainda usam protocolos de vídeo analógico devido aos baixos requisitos de latência para vídeo em tempo real em corridas de drones de alta velocidade, mas drones de consumo, industriais e militares estão cada vez mais dependendo de protocolos digitais proprietários.
Com os avanços em inteligência artificial (IA), sensores de imagem e tecnologia de bateria esperados para impulsionar o mercado global de drones de US$ 73,06 bilhões (USD) em 2024 para US$ 163,60 bilhões (USD) até 2030,[3] escolher o hardware certo para sistemas de transmissão de drones digitais é importante ao tentar atender às demandas significativas de dados. Na verdade, é importante considerar como a adição de capacidades adicionais pode sobrecarregar os já rigorosos requisitos de otimização de Tamanho, Peso e Potência (SWaP) para maximizar o tempo de voo e as capacidades de carga útil, que são definidos principalmente pela capacidade da bateria, peso do sistema e consumo de energia, bem como pelas capacidades de impulso dos sistemas de motor.
Neste blog, discutimos por que a alta integridade de sinal se torna essencial para manter a transmissão de dados e garantir fluxos de vídeo suaves à medida que drones comerciais e militares mudam para protocolos de comunicação de vídeo digital, estendem seus alcances de voo e frequência, e encontram cada vez mais ambientes repletos de interferência de RF. Além disso, apresentamos uma solução de amplificador para confiabilidade de transmissão de próximo nível em drones FPV.
Protocolos de Transmissão de Vídeo de Drones
Para os primeiros drones equipados com câmeras, protocolos analógicos estabelecidos como Phase Alternating Line (PAL) e National Television System Committee (NTSC) eram uma escolha óbvia para a transmissão de vídeo em sistemas FPV. O baixo custo do NTSC, a baixa latência e a transmissão de vídeo em até 30 quadros por segundo[4] permitiram que os pilotos experimentassem o voo do drone com qualidade comparável à televisão analógica e aos videogames antes da era de alta definição (HD).
Mas com resolução limitada, como as 625 linhas de varredura para PAL, por exemplo, os protocolos analógicos são inadequados para o streaming de vídeo HD típico de filmagens cinematográficas, reconhecimento militar ou aplicações de levantamento topográfico. Ao mudar para protocolos digitais, os operadores de drones podem combinar vídeo de alta resolução com outras comunicações de dados, como dados de telemetria, metadados e até mesmo sinais de controle do drone. Como a maioria das comunicações digitais, esses protocolos também oferecem maior segurança de dados com maior taxa de transferência do que as transmissões analógicas.
Normalmente, protocolos digitais centrados em drones como Crossfire, Express Long Range System (ExpressLRS), HDZero e DJI SDR são proprietários por fabricante, mas todos usam bandas não licenciadas semelhantes de 2,4 GHz, 5,1 GHz e 5,8 GHz para comunicação, com alguns baseados em padrões Wi-Fi®. No entanto, muitas aplicações avançadas de drones apresentam problemas para uma comunicação confiável, pois espera-se que os drones operem a grandes distâncias de seus pilotos, às vezes mais de 15 milhas para sistemas de nível empresarial.[5] Além disso, considerar as transmissões globais de vídeo de drones significa usar tecnologia capaz de transmitir em 600MHz e 1400MHz. Aqui, a alta integridade do sinal torna-se essencial para manter o controle e garantir fluxos de vídeo suaves em longas distâncias.
Amplificando Sinais de Drone para um Desempenho Confiável
A presença de edifícios, árvores ou sinais de RF não relacionados, como redes Wi-Fi comerciais, pode interferir nas comunicações dos drones e causar problemas como alcance limitado,[6] baixa qualidade e inconsistência nos fluxos de vídeo, ou perda de dados vitais de controle e telemetria.[7] Para aplicações onde os drones estão além da linha de visada (BVLOS) para o piloto, o que é comum em casos de uso militar, esses problemas podem ser especialmente prevalentes. Não é de surpreender que a amplificação de sinal desempenhe um papel crítico nas transmissões de drones para casos de uso no mundo real, como o BVLOS.
Para as bandas de frequência comumente usadas em projetos de drones comerciais e militares, a Qorvo oferece uma solução de ruído ultrabaixo para amplificar sinais vitais. O QPL9547 (Figura 1) é um amplificador de baixo ruído (LNA) de alta linearidade e ruído ultrabaixo otimizado para aplicações 5G Massive multiple-input, multiple-output (MIMO), tornando-o ótimo para as complexas necessidades de dados dos drones modernos.
Características principais do QPL9547 incluem:
- Faixa de frequência de 0.1GHz a 6.0GHz para suportar uma ampla gama de protocolos sem fio
- Figura de ruído ultrabaixa de 0.3dB para amplificação de sinal nítida—essencial quando os drones atingem os limites de seu alcance de controle
- Ganho de 19.5dB a 1.9GHz para fornecer amplo reforço a sinais fracos
- Polarização ajustável para otimização de linearidade para evitar distorção e suportar altas taxas de dados
- Estabilidade incondicional para operação previsível em ambientes agressivos e condições de voo em constante mudança
Uma única alimentação positiva de 3,3V a 5,0V permite que este amplificador se integre facilmente com trilhos de tensão padrão. Para auxiliar ainda mais na otimização de SWaP (Space, Weight, and Power – Espaço, Peso e Potência), o QPL9547 está disponível em um pacote QFN8 de 2 × 2 mm com requisitos mínimos de componentes externos. A faixa de temperatura operacional de -40°C a +85°C torna este dispositivo adequado para a maioria dos ambientes externos, atendendo a uma ampla gama de implantações de drones, desde missões de resgate alpino até filmagens da natureza em climas desérticos.
Além de aplicações com drones, o amplificador QPL9547 é adequado para uma ampla gama de aplicações de sinal de alta taxa de transferência, incluindo:
- Repetidores e sistemas de antenas distribuídas
- Sistemas de duplexação por divisão de frequência e por divisão de tempo
- Infraestrutura móvel
- Aplicações sem fio de propósito geral
Começando com o Qorvo QPL9547
Ao integrar o amplificador QPL9547 nos projetos, a placa de avaliação QPL9547EVB-01 permite testes fáceis. Esta plataforma é mostrada na Figura 2 juntamente com um exemplo de circuito de aplicação que pode ser rapidamente incorporado em projetos existentes para um desenvolvimento de produto mais rápido. Ela também fornece acesso aos principais sinais dos pinos para suportar a caracterização detalhada do desempenho.
Confiabilidade de Transmissão de Próximo Nível para Drones FPV
Com tantos dados se movendo entre drones modernos e seus controladores, protocolos digitais de alta taxa de transferência oferecem uma distinta vantagem sobre padrões de vídeo analógicos quando se trata de streaming de vídeo HD e de garantir as linhas de transmissão. À medida que os sistemas de drones continuam a expandir os limites do alcance de voo e da qualidade de vídeo, a alta integridade do sinal se torna ainda mais importante para uma operação confiável.
A Qorvo oferece um extenso portfólio de produtos ideais para soluções de drones. O amplificador de ruído ultrabaixo QPL9547 da Qorvo fornece uma solução compacta para aumentar os sinais de drones digitais de longa distância sem impedir a otimização de SWaP (Space, Weight, and Power – Espaço, Peso e Potência). Com esses dispositivos, os projetistas de drones podem permitir streams de vídeo ultra-HD mais suaves em ambientes desafiadores de longo alcance e BVLOS (Beyond Visual Line of Sight – Além da Linha de Visada), seja de natureza militar, industrial ou cinematográfica.
Autor
Brandon Lewis é jornalista de tecnologia de ponta (deep tech), contador de histórias e escritor técnico há mais de uma década, cobrindo startups de software, gigantes de semicondutores e tudo mais. Suas áreas de foco incluem processadores embarcados, hardware, software e ferramentas relacionadas à integração de sistemas eletrônicos, implantações de IoT/Indústria 4.0 e casos de uso de IA de borda (edge AI). Ele também é um podcaster, YouTuber, moderador de eventos e apresentador de conferências talentoso, e ocupou cargos como editor-chefe e editor de tecnologia em várias publicações comerciais de engenharia eletrônica.
Referências
[1] https://nebodron.com.ua/en/articles-en/the-history-of-fpv-drones-from-inception-to-present-en
[2] https://ymcinema.com/2021/09/13/red-notice-is-a-proof-that-cinema-fpv-conquered-netflix/
[3] https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/drone-market-report
[4] https://www.smp-ltd.com/blog/post/whats-the-difference-between-ntsc-and-pal
[5] https://uavcoach.com/how-far-drone-fly/
[6] https://coptrz.com/blog/how-far-can-a-drone-fly-understanding-range-and-factors-affecting-it
[7] https://www.mepsking.shop/blog/how-to-handle-fpv-drone-signal-loss-and-interference.html
Artigo escrito por Qorvo e publicado no blog da Mouser Electronics: Video Stream Integrity for Long-Range FPV Drones.
Traduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados
