無線信道圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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。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。

　　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。