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在某紅外圖像傳輸系統中，存在多信道通信狀況，需將紅外圖像及其他信息通過(guò)空中信道傳回指控平臺，以進(jìn)行戰場(chǎng)狀態(tài)*估、目標選擇和控制指令的發(fā)送。在戰時(shí)的無(wú)線(xiàn)信道中總是存在著(zhù)噪聲、干擾、多徑衰落等各種影響，這就要求傳輸系統設計時(shí)既要采用有效的數據壓縮方法來(lái)降低傳輸碼率，盡量節省傳輸信道帶寬，同時(shí)又要引入差錯控制方式來(lái)抵制信道噪聲的干擾。 本文考慮了系統的綜合要求：系統容量、作用距離、收發(fā)時(shí)延及算法實(shí)現復雜度，采用了8倍圖像壓縮、RS編碼加交織的方式進(jìn)行了無(wú)線(xiàn)鏈路的設計，采用大規模FPGA完成發(fā)送端及接收端的算法實(shí)現，并通過(guò)試驗驗證設計指標滿(mǎn)足系統要求。 1 無(wú)線(xiàn)信道圖像傳輸系統設計 1．1 系統特點(diǎn) 系統容量有限 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中，考慮系統中有多個(gè)數據流通信，圖像實(shí)際使用帶寬過(guò)大，一方面影響整個(gè)系統容量，另外會(huì )帶來(lái)接收端諸多問(wèn)題，為滿(mǎn)足實(shí)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(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，同時(shí)時(shí)延小。 高保真圖像顯示 由于接收端需要對圖像進(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)境為戰時(shí)復雜的電磁環(huán)境，信道中存在著(zhù)各種噪聲、突發(fā)干擾和隨機干擾。 1．2 系統方案 由于系統容量要求，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，解壓縮使用軟件在計算機內處理后顯示。 由于實(shí)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(gè)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(lái)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(shí)現的難易度、效率、時(shí)延。通過(guò)對比和仿真，采用戰術(shù)數據鏈中通用的RS編碼并進(jìn)行交織以提高系統抗干擾能力。同時(shí)選擇合適的發(fā)送天線(xiàn)，合理分配各組件增益，根據系統使用需求，使用控制電路完成對發(fā)射信號的發(fā)送控制。無(wú)線(xiàn)信道圖像傳輸系統原理框圖見(jiàn)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(xiàn)。綜合基帶是其中的關(guān)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(shí)際耗費資源，選擇一片大規模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(xiàn)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(xiàn)、信號處理機、接收處理組件。 接收天線(xiàn)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(shí)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(shí)延，采用一片大規模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(pán)、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(shí)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(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(xiàn)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(xiàn)失配問(wèn)題，設計時(shí)接收端天線(xiàn)采用圓極化形式，發(fā)送端天線(xiàn)采用一對垂直分布的線(xiàn)極化天線(xiàn)，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(wèn)題，發(fā)送端天線(xiàn)采用后向天線(xiàn)圖形式，為增加抗干擾性，還要求發(fā)送端天線(xiàn)具有一定的增益。圖2為發(fā)送天線(xiàn)仿真圖。 1．3．2 信源信道聯(lián)合編解碼技術(shù) 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(diǎn)，也不適用幀間壓縮方式；同時(shí)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(shí)現簡(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)現還必須具備實(shí)時(shí)性強的特點(diǎn)，因此，選用多分辨率重采樣圖像壓縮算法對圖像數據進(jìn)行壓縮。 根據壓縮后的圖像比特數，將全幀數據分為若干個(gè)子幀，對每個(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)干擾對傳輸信息的影響。 接收端若使用軟件對RS碼解碼，會(huì )造成較大的時(shí)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(jìn)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(jìn)行流水線(xiàn)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(shí)考慮實(shí)際使用體積和功耗，最終選擇采用FPGA(Field Programmable Gate Array，現場(chǎng)可編程陣列)作為信號處理平臺。目前ALTERA公司的高端產(chǎn)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(gè)可編程的片上系統(System on a Programmable Chip)使用，具有很好的可重復性和可靠性，同時(shí)調試上可以采用內部邏輯分析儀signapⅡ，人機界面非常友好。 2 驗 證 為驗證系統設計可靠性，在實(shí)驗室內測試了實(shí)時(shí)時(shí)延，通過(guò)室外驗證試驗驗證了作用距離。實(shí)驗室內原理框圖見(jiàn)圖3。室外驗證試驗框圖見(jiàn)圖4。 因為實(shí)際最大的空間傳輸時(shí)延是可以計算出來(lái)的，使用衰減器將發(fā)送端和接收端直接連接在一起，直接測試發(fā)送端和接收端的圖像數據起始端的信號差異即可測出系統時(shí)延。為進(jìn)行此測試，綜合基帶和信號處理機都特地產(chǎn)生一個(gè)狀態(tài)信號，分別表示發(fā)送端接收到圖像數據時(shí)的狀態(tài)和接收端接收圖像數據時(shí)的狀態(tài)，此兩種狀態(tài)信號直接進(jìn)入示波器中，示波器對兩路輸入采用觸發(fā)狀態(tài)采集，兩路信號的時(shí)間差加最大空間傳輸時(shí)延即是系統的時(shí)延，反映出系統的實(shí)時(shí)性。通過(guò)測試，時(shí)延滿(mǎn)足系統要求。 室外驗證試驗中，接收天線(xiàn)采用雙天線(xiàn)接收，增益為17 dB，選擇分集合成接收機，在發(fā)射系統天線(xiàn)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皆正常，在55 dB時(shí)圖像出現馬賽克現象，同步顯示正常。由于測試緣故，系統損耗比實(shí)際使用時(shí)的損耗多5 dB。系統作用距離要求為20 km，由以上測試可知，作用距離完全滿(mǎn)足要求。 3 結 語(yǔ) 針對系統要求，通過(guò)多頻點(diǎn)傳輸完成多信道并存問(wèn)題，通過(guò)科學(xué)分配系統參數，合理選擇收發(fā)天線(xiàn)類(lèi)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(wèn)題，目前作用距離和時(shí)延測試滿(mǎn)足系統要求，驗證了設計的合理性，并為其他圖像傳輸系統的設計提供有益的參考。 |
