无线信道图像传输系统设计 - 全文

        引 言

　　在某红外图像传输系统中，存在多信道通信状况，需将红外图像及其他信息通过空中信道传回指控平台，以进行战场状态评估、目标选择和控制指令的发送。传输系统设计时既要采用有效的数据压缩方法来降低传输码率，尽量节省传输信道带宽，同时又要引入差错控制方式来抵制信道噪声的干扰。

　　本文考虑了系统的综合要求：系统容量、作用距离、收发时延及算法实现复杂度，采用了8倍图像压缩、RS编码加交织的方式进行了无线链路的设计，采用大规模FPGA完成发送端及接收端的算法实现，并通过试验验证设计指标满足系统要求。

　　1 无线信道图像传输系统设计

　　1.1 系统特点

　　系统容量有限 实际使用环境中图像发送端和接收端都处于空中平台中，考虑系统中有多个数据流通信，图像实际使用带宽过大，一方面影响整个系统容量，另外会带来接收端诸多问题，为满足实际工程应用，必须控制每组信道的使用带宽，故而需将图像压缩后传输。

　　实时性 由于图像发送和接收的实时性要求高，使用体积有限，故而选择的图像压缩和解压缩算法必须高效、易于实现，同时时延小。

　　高保真图像显示 由于接收端需要对图像进行分辨从而做出正确的选择，因而图像压缩算法必须选用高保真的压缩算法。

　　干扰信道环境 使用环境为战时复杂的电磁环境，信道中存在着各种噪声、突发干扰和随机干扰。

　　1.2 系统方案

　　由于系统容量要求，采用频分体制完成多个信道的同时工作，同时将红外图像压缩后传输以减小每个信道使用带宽。

　　考虑到使用环境的体积有限，实时性及高保真要求，选择多分辨率重采样图像压缩算法解决方案，压缩采用硬件实现，解压缩使用软件在计算机内处理后显示。

　　由于实际信道存在突发干扰和随机干扰，而压缩后的图像数据非常敏感，一个误码就能导致一帧数据的重放失败，影响接收端使用，故必须使用纠错编码来抵制信道中的干扰。选择纠错编码不仅需考虑面临的干扰形式还必须考虑编解码实现的难易度、效率、时延。通过对比和仿真，采用战术数据链中通用的RS编码并进行交织以提高系统抗干扰能力。同时选择合适的发送天线，合理分配各组件增益，根据系统使用需求，使用控制电路完成对发射信号的发送控制。无线信道图像传输系统原理框图见图1。

　　1.2.1 发送端设计

　　发送端包括三部分：综合基带、发射机和天线。综合基带是其中的关键部件，完成对图像数据的采集、压缩、编码和交织，完成对状态数据的采集、编码，完成对传送数据的组帧输出及对发射信号的发送控制。考虑功耗、体积和实际耗费资源，选择一片大规模FPGA完成所有信号处理。

　　发射机完成数据调制、放大输出。

　　天线完成微波信号的辐射。

　　1.2.2 接收端设计

　　接收端包括四部分：接收天线、信号处理机、接收处理组件。

　　接收天线完成微波信号的接收。

　　信号处理机完成图像数据的解交织、解码和状态数据的解码，同时完成解码数据的组帧和USB数据同步、缓存及数据输出。考虑功耗、耗费资源和处理时延，采用一片大规模FPGA加FIFO及接口芯片完成相应处理。

　　接收处理组件完成数据的接收、存盘、图像数据提取、解压缩和显示及状态数据的提取和显示。解压缩采用软件实现，解压缩软件嵌入到指控平台接收端的接收软件中，在接收信号的同时完成压缩图像的解码和实时显示。

　　1.3 关键技术

　　1.3.1 天线设计

　　由于发送端设备位于导弹上，接收端设备位于飞机上，故而存在收发天线失配问题，设计时接收端天线采用圆极化形式，发送端天线采用一对垂直分布的线极化天线，这样将极化损耗降到最低，有利于接收端的接收。同时考虑通信时抗干扰问题，发送端天线采用后向天线图形式，为增加抗干扰性，还要求发送端天线具有一定的增益。图2为发送天线仿真图。

　　1.3.2 信源信道联合编解码技术

　　由于红外导引头的图像格式不是标准的视频图像格式，普通的视频图像压缩标准并不适用;红外导引头的图像具有目标形状变化比较快的特点，也不适用帧间压缩方式;同时考虑到弹上应用环境的特殊性，压缩算法必须具有硬件实现简单、体积和功耗小，考虑实际使用环境，其压缩和解压缩算法实现还必须具备实时性强的特点，因此，选用多分辨率重采样图像压缩算法对图像数据进行压缩。

　　根据压缩后的图像比特数，将全帧数据分为若干个子帧，对每个子帧进行RS编码，然后将所有子帧进行交织以打乱信道突发干扰对传输信息的影响。

　　接收端若使用软件对RS码解码，会造成较大的时延，故使用硬件完成图像数据的解交织、译码和状态数据的译码，使用软件完成图像数据的解压缩和图像显示。

　　1.3.3 信号处理平台的选择与设计

　　设计初期必须进行发送端和接收端的信号处理平台的选择。目前信号处理平台有三种模式：纯DSP，纯FPGA和DSP加FPGA模式。纯DSP模式下最大限制是其只能进行流水线操作，对于控制和其他操作并行的设计并不适合，DSP加FPGA模式灵活性最好，但是调试较为麻烦，同时考虑实际使用体积和功耗，最终选择采用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程阵列)作为信号处理平台。目前ALTERA公司的高端产品接口丰富，内部具有大量的宏单元，且有内嵌RAM块、DSP块、锁相环(PLL)，可作为一个可编程的片上系统(System on a Programmable Chip)使用，具有很好的可重复性和可靠性，同时调试上可以采用内部逻辑分析仪signapⅡ，人机界面非常友好。

　　2 验 证

　　为验证系统设计可靠性，在实验室内测试了实时时延，通过室外验证试验验证了作用距离。实验室内原理框图见图3。室外验证试验框图见图4。

　　因为实际最大的空间传输时延是可以计算出来的，使用衰减器将发送端和接收端直接连接在一起，直接测试发送端和接收端的图像数据起始端的信号差异即可测出系统时延。为进行此测试，综合基带和信号处理机都特地产生一个状态信号，分别表示发送端接收到图像数据时的状态和接收端接收图像数据时的状态，此两种状态信号直接进入示波器中，示波器对两路输入采用触发状态采集，两路信号的时间差加最大空间传输时延即是系统的时延，反映出系统的实时性。通过测试，时延满足系统要求。

　　室外验证试验中，接收天线采用双天线接收，增益为17 dB，选择分集合成接收机，在发射系统天线前端使用衰减器。收发两地实际距离为9.1 km，衰减器在54 dB时接收端图像及同步信号皆正常，在55 dB时图像出现马赛克现象，同步显示正常。由于测试缘故，系统损耗比实际使用时的损耗多5 dB。系统作用距离要求为20 km，由以上测试可知，作用距离完全满足要求。

　　3 结 语

　　针对系统要求，通过多频点传输完成多信道并存问题，通过科学分配系统参数，合理选择收发天线类型，并采用多分辨率重采样图像压缩加RS编码加交织的信源信道联合编码，成功解决图像在干扰信道下的传输问题，目前作用距离和时延测试满足系统要求，验证了设计的合理性，并为其他图像传输系统的设计提供有益的参考。