無線信道圖像傳輸系統(tǒng)原理及設計研究

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，以進行戰(zhàn)場狀態(tài)評估、目標選擇和控制指令的發(fā)送。在戰(zhàn)時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)設計時既要采用有效的數據壓縮方法來降低傳輸碼率，盡量節(jié)省傳輸信道帶寬，同時又要引入差錯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)時延及算法實現復雜度，采用了8倍圖像壓縮、RS編碼加交織的方式進行了無線鏈路的設計，采用大規(guī)模FPGA完成發(fā)送端及接收端的算法實現，并通過試驗驗證設計指標滿足系統(tǒng)要求。

1 無線信道圖像傳輸系統(tǒng)設計

1．1 系統(tǒng)特點

系統(tǒng)容量有限 實際使用環(huán)境中圖像發(fā)送端和接收端都處于空中平臺中，考慮系統(tǒng)中有多個數據流通信，圖像實際使用帶寬過大，一方面影響整個系統(tǒng)容量，另外會帶來接收端諸多問題，為滿足實際工程應用，必須控制每組信道的使用帶寬，故而需將圖像壓縮后傳輸。

實時性 由于圖像發(fā)送和接收的實時性要求高，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、易于實現，同時時延小。

高保真圖像顯示 由于接收端需要對圖像進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)時復雜的電磁環(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信道的同時工作，同時將紅外圖像壓縮后傳輸以減小每個信道使用帶寬。

考慮到使用環(huán)境的體積有限，實時性及高保真要求，選擇多分辨率重采樣圖像壓縮算法解決方案，壓縮采用硬件實現，解壓縮使用軟件在計算機內處理后顯示。

由于實際信道存在突發(fā)干擾和隨機干擾，而壓縮后的圖像數據非常敏感，一個誤碼就能導致一幀數據的重放失敗，影響接收端使用，故必須使用糾錯編碼來抵制信道中的干擾。選擇糾錯編碼不僅需考慮面臨的干擾形式還必須考慮編解碼實現的難易度、效率、時延。通過對比和仿真，采用戰(zhàn)術數據鏈中通用的RS編碼并進行交織以提高系統(tǒng)抗干擾能力。同時選擇合適的發(fā)送天線，合理分配各組件增益，根據系統(tǒng)使用需求，使用控制電路完成對發(fā)射信號的發(fā)送控制。無線信道圖像傳輸系統(tǒng)原理框圖見圖1。

1．2．1 發(fā)送端設計

發(fā)送端包括三部分：綜合基帶、發(fā)射機和天線。綜合基帶是其中的關鍵部件，完成對圖像數據的采集、壓縮、編碼和交織，完成對狀態(tài)數據的采集、編碼，完成對傳送數據的組幀輸出及對發(fā)射信號的發(fā)送控制?？紤]功耗、體積和實際耗費資源，選擇一片大規(guī)模FPGA完成所有信號處理。

發(fā)射機完成數據調制、放大輸出。

天線完成微波信號的輻射。

1．2．2 接收端設計

接收端包括四部分：接收天線、信號處理機、接收處理組件。

接收天線完成微波信號的接收。

信號處理機完成圖像數據的解交織、解碼和狀態(tài)數據的解碼，同時完成解碼數據的組幀和USB數據同步、緩存及數據輸出?？紤]功耗、耗費資源和處理時延，采用一片大規(guī)模FPGA加FIFO及接口芯片完成相應處理。

接收處理組件完成數據的接收、存盤、圖像數據提取、解壓縮和顯示及狀態(tài)數據的提取和顯示。解壓縮采用軟件實現，解壓縮軟件嵌入到指控平臺接收端的接收軟件中，在接收信號的同時完成壓縮圖像的解碼和實時顯示。

1．3 關鍵技術

1．3．1 天線設計

由于發(fā)送端設備位于導彈上，接收端設備位于飛機上，故而存在收發(fā)天線失配問題，設計時接收端天線采用圓極化形式，發(fā)送端天線采用一對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。同時考慮通信時抗干擾問題，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 信源信道聯合編解碼技術

由于紅外導引頭的圖像格式不是標準的視頻圖像格式，普通的視頻圖像壓縮標準并不適用；紅外導引頭的圖像具有目標形狀變化比較快的特點，也不適用幀間壓縮方式；同時考慮到彈上應用環(huán)境的特殊性，壓縮算法必須具有硬件實現簡單、體積和功耗小，考慮實際使用環(huán)境，其壓縮和解壓縮算法實現還必須具備實時性強的特點，因此，選用多分辨率重采樣圖像壓縮算法對圖像數據進行壓縮。

根據壓縮后的圖像比特數，將全幀數據分為若干個子幀，對每個子幀進行RS編碼，然后將所有子幀進行交織以打亂信道突發(fā)干擾對傳輸信息的影響。

接收端若使用軟件對RS碼解碼，會造成較大的時延，故使用硬件完成圖像數據的解交織、譯碼和狀態(tài)數據的譯碼，使用軟件完成圖像數據的解壓縮和圖像顯示。

1．3．3 信號處理平臺的選擇與設計

設計初期必須進行發(fā)送端和接收端的信號處理平臺的選擇。目前信號處理平臺有三種模式：純DSP，純FPGA和DSP加FPGA模式。純DSP模式下最大限制是其只能進行流水線操作，對于控制和其他操作并行的設計并不適合，DSP加FPGA模式靈活性最好，但是調試較為麻煩，同時考慮實際使用體積和功耗，最終選擇采用FPGA(Field Programmable Gate Array，現場可編程陣列)作為信號處理平臺。目前ALTERA公司的高端產品接口豐富，內部具有大量的宏單元，且有內嵌RAM塊、DSP塊、鎖相環(huán)(PLL)，可作為一個可編程的片上系統(tǒng)(System on a Programmable Chip)使用，具有很好的可重復性和可靠性，同時調試上可以采用內部邏輯分析儀signapⅡ，人機界面非常友好。