無線信道圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言
    在某紅外圖像傳輸系統(tǒng)中，存在多信道通信狀況，需將紅外圖像及其他信息通過空中信道傳回指控平臺(tái)，以進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)狀態(tài)評(píng)估、目標(biāo)選擇和控制指令的發(fā)送。在戰(zhàn)時(shí)的無線信道中總是存在著噪聲、干擾、多徑衰落等各種影響，這就要求傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)既要采用有效的數(shù)據(jù)壓縮方法來降低傳輸碼率，盡量節(jié)省傳輸信道帶寬，同時(shí)又要引入差錯(cuò)控制方式來抵制信道噪聲的干擾。
    本文考慮了系統(tǒng)的綜合要求：系統(tǒng)容量、作用距離、收發(fā)時(shí)延及算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，采用了8倍圖像壓縮、RS編碼加交織的方式進(jìn)行了無線鏈路的設(shè)計(jì)，采用大規(guī)模FPGA完成發(fā)送端及接收端的算法實(shí)現(xiàn)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足系統(tǒng)要求。

1 無線信道圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)特點(diǎn)
    系統(tǒng)容量有限 實(shí)際使用環(huán)境中圖像發(fā)送端和接收端都處于空中平臺(tái)中，考慮系統(tǒng)中有多個(gè)數(shù)據(jù)流通信，圖像實(shí)際使用帶寬過大，一方面影響整個(gè)系統(tǒng)容量，另外會(huì)帶來接收端諸多問題，為滿足實(shí)際工程應(yīng)用，必須控制每組信道的使用帶寬，故而需將圖像壓縮后傳輸。
    實(shí)時(shí)性 由于圖像發(fā)送和接收的實(shí)時(shí)性要求高，使用體積有限，故而選擇的圖像壓縮和解壓縮算法必須高效、易于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)時(shí)延小。
    高保真圖像顯示 由于接收端需要對(duì)圖像進(jìn)行分辨從而做出正確的選擇，因而圖像壓縮算法必須選用高保真的壓縮算法。
    干擾信道環(huán)境 使用環(huán)境為戰(zhàn)時(shí)復(fù)雜的電磁環(huán)境，信道中存在著各種噪聲、突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾。
1．2 系統(tǒng)方案
    由于系統(tǒng)容量要求，采用頻分體制完成多個(gè)信道的同時(shí)工作，同時(shí)將紅外圖像壓縮后傳輸以減小每個(gè)信道使用帶寬。
    考慮到使用環(huán)境的體積有限，實(shí)時(shí)性及高保真要求，選擇多分辨率重采樣圖像壓縮算法解決方案，壓縮采用硬件實(shí)現(xiàn)，解壓縮使用軟件在計(jì)算機(jī)內(nèi)處理后顯示。
    由于實(shí)際信道存在突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾，而壓縮后的圖像數(shù)據(jù)非常敏感，一個(gè)誤碼就能導(dǎo)致一幀數(shù)據(jù)的重放失敗，影響接收端使用，故必須使用糾錯(cuò)編碼來抵制信道中的干擾。選擇糾錯(cuò)編碼不僅需考慮面臨的干擾形式還必須考慮編解碼實(shí)現(xiàn)的難易度、效率、時(shí)延。通過對(duì)比和仿真，采用戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈中通用的RS編碼并進(jìn)行交織以提高系統(tǒng)抗干擾能力。同時(shí)選擇合適的發(fā)送天線，合理分配各組件增益，根據(jù)系統(tǒng)使用需求，使用控制電路完成對(duì)發(fā)射信號(hào)的發(fā)送控制。無線信道圖像傳輸系統(tǒng)原理框圖見圖1。

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1．2．1 發(fā)送端設(shè)計(jì)
    發(fā)送端包括三部分：綜合基帶、發(fā)射機(jī)和天線。綜合基帶是其中的關(guān)鍵部件，完成對(duì)圖像數(shù)據(jù)的采集、壓縮、編碼和交織，完成對(duì)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、編碼，完成對(duì)傳送數(shù)據(jù)的組幀輸出及對(duì)發(fā)射信號(hào)的發(fā)送控制。考慮功耗、體積和實(shí)際耗費(fèi)資源，選擇一片大規(guī)模FPGA完成所有信號(hào)處理。
    發(fā)射機(jī)完成數(shù)據(jù)調(diào)制、放大輸出。
    天線完成微波信號(hào)的輻射。
1．2．2 接收端設(shè)計(jì)
    接收端包括四部分：接收天線、信號(hào)處理機(jī)、接收處理組件。
    接收天線完成微波信號(hào)的接收。
    信號(hào)處理機(jī)完成圖像數(shù)據(jù)的解交織、解碼和狀態(tài)數(shù)據(jù)的解碼，同時(shí)完成解碼數(shù)據(jù)的組幀和USB數(shù)據(jù)同步、緩存及數(shù)據(jù)輸出?？紤]功耗、耗費(fèi)資源和處理時(shí)延，采用一片大規(guī)模FPGA加FIFO及接口芯片完成相應(yīng)處理。
    接收處理組件完成數(shù)據(jù)的接收、存盤、圖像數(shù)據(jù)提取、解壓縮和顯示及狀態(tài)數(shù)據(jù)的提取和顯示。解壓縮采用軟件實(shí)現(xiàn)，解壓縮軟件嵌入到指控平臺(tái)接收端的接收軟件中，在接收信號(hào)的同時(shí)完成壓縮圖像的解碼和實(shí)時(shí)顯示。
1．3 關(guān)鍵技術(shù)
1．3．1 天線設(shè)計(jì)
    由于發(fā)送端設(shè)備位于導(dǎo)彈上，接收端設(shè)備位于飛機(jī)上，故而存在收發(fā)天線失配問題，設(shè)計(jì)時(shí)接收端天線采用圓極化形式，發(fā)送端天線采用一對(duì)垂直分布的線極化天線，這樣將極化損耗降到最低，有利于接收端的接收。同時(shí)考慮通信時(shí)抗干擾問題，發(fā)送端天線采用后向天線圖形式，為增加抗干擾性，還要求發(fā)送端天線具有一定的增益。圖2為發(fā)送天線仿真圖。
1．3．2 信源信道聯(lián)合編解碼技術(shù)
    由于紅外導(dǎo)引頭的圖像格式不是標(biāo)準(zhǔn)的視頻圖像格式，普通的視頻圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)并不適用；紅外導(dǎo)引頭的圖像具有目標(biāo)形狀變化比較快的特點(diǎn)，也不適用幀間壓縮方式；同時(shí)考慮到彈上應(yīng)用環(huán)境的特殊性，壓縮算法必須具有硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、體積和功耗小，考慮實(shí)際使用環(huán)境，其壓縮和解壓縮算法實(shí)現(xiàn)還必須具備實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，選用多分辨率重采樣圖像壓縮算法對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。
    根據(jù)壓縮后的圖像比特?cái)?shù)，將全幀數(shù)據(jù)分為若干個(gè)子幀，對(duì)每個(gè)子幀進(jìn)行RS編碼，然后將所有子幀進(jìn)行交織以打亂信道突發(fā)干擾對(duì)傳輸信息的影響。
    接收端若使用軟件對(duì)RS碼解碼，會(huì)造成較大的時(shí)延，故使用硬件完成圖像數(shù)據(jù)的解交織、譯碼和狀態(tài)數(shù)據(jù)的譯碼，使用軟件完成圖像數(shù)據(jù)的解壓縮和圖像顯示。
1．3．3 信號(hào)處理平臺(tái)的選擇與設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)初期必須進(jìn)行發(fā)送端和接收端的信號(hào)處理平臺(tái)的選擇。目前信號(hào)處理平臺(tái)有三種模式：純DSP，純FPGA和DSP加FPGA模式。純DSP模式下最大限制是其只能進(jìn)行流水線操作，對(duì)于控制和其他操作并行的設(shè)計(jì)并不適合，DSP加FPGA模式靈活性最好，但是調(diào)試較為麻煩，同時(shí)考慮實(shí)際使用體積和功耗，最終選擇采用FPGA(Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程陣列)作為信號(hào)處理平臺(tái)。目前ALTERA公司的高端產(chǎn)品接口豐富，內(nèi)部具有大量的宏單元，且有內(nèi)嵌RAM塊、DSP塊、鎖相環(huán)(PLL)，可作為一個(gè)可編程的片上系統(tǒng)(System on a Programmable Chip)使用，具有很好的可重復(fù)性和可靠性，同時(shí)調(diào)試上可以采用內(nèi)部邏輯分析儀signapⅡ，人機(jī)界面非常友好。

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2 驗(yàn) 證
    為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)試了實(shí)時(shí)時(shí)延，通過室外驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)證了作用距離。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)原理框圖見圖3。室外驗(yàn)證試驗(yàn)框圖見圖4。

    因?yàn)閷?shí)際最大的空間傳輸時(shí)延是可以計(jì)算出來的，使用衰減器將發(fā)送端和接收端直接連接在一起，直接測(cè)試發(fā)送端和接收端的圖像數(shù)據(jù)起始端的信號(hào)差異即可測(cè)出系統(tǒng)時(shí)延。為進(jìn)行此測(cè)試，綜合基帶和信號(hào)處理機(jī)都特地產(chǎn)生一個(gè)狀態(tài)信號(hào)，分別表示發(fā)送端接收到圖像數(shù)據(jù)時(shí)的狀態(tài)和接收端接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)時(shí)的狀態(tài)，此兩種狀態(tài)信號(hào)直接進(jìn)入示波器中，示波器對(duì)兩路輸入采用觸發(fā)狀態(tài)采集，兩路信號(hào)的時(shí)間差加最大空間傳輸時(shí)延即是系統(tǒng)的時(shí)延，反映出系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。通過測(cè)試，時(shí)延滿足系統(tǒng)要求。
    室外驗(yàn)證試驗(yàn)中，接收天線采用雙天線接收，增益為17 dB，選擇分集合成接收機(jī)，在發(fā)射系統(tǒng)天線前端使用衰減器。收發(fā)兩地實(shí)際距離為9．1 km，衰減器在54 dB時(shí)接收端圖像及同步信號(hào)皆正常，在55 dB時(shí)圖像出現(xiàn)馬賽克現(xiàn)象，同步顯示正常。由于測(cè)試緣故，系統(tǒng)損耗比實(shí)際使用時(shí)的損耗多5 dB。系統(tǒng)作用距離要求為20 km，由以上測(cè)試可知，作用距離完全滿足要求。

3 結(jié) 語
    針對(duì)系統(tǒng)要求，通過多頻點(diǎn)傳輸完成多信道并存問題，通過科學(xué)分配系統(tǒng)參數(shù)，合理選擇收發(fā)天線類型，并采用多分辨率重采樣圖像壓縮加RS編碼加交織的信源信道聯(lián)合編碼，成功解決圖像在干擾信道下的傳輸問題，目前作用距離和時(shí)延測(cè)試滿足系統(tǒng)要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性，并為其他圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供有益的參考。